DALI用于研究涉及隱藏電荷密度波態(tài)的快速電子電阻開關(guān)

固體材料往往在低溫下發(fā)生相變，產(chǎn)生全新的物理性質(zhì)。電荷密度波是金屬材料在低溫下發(fā)生相變后的一種可能的基態(tài)，導(dǎo)致原本均勻分布的電荷密度在實(shí)空間發(fā)生周期性波動(dòng)，并且伴隨著晶格畸變。這種現(xiàn)象在低維金屬材料中十分普遍。人們對(duì)一維條件下電荷密度波的形成原因已經(jīng)有了比較清楚的認(rèn)識(shí)。二維或準(zhǔn)二維電荷密度波材料更為豐富，但關(guān)于其形成機(jī)理卻始終存在著不同的觀點(diǎn)。此外，在不少材料中電荷密度波與超導(dǎo)存在著微妙的關(guān)聯(lián)。這些原因使電荷密度波成為凝聚態(tài)物理中備受關(guān)注的一個(gè)研究方向。

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件的功能目前是基于多重穩(wěn)定性的，通過局部操縱晶體管中的電子密度或通過切換磁性或鐵電順序來驅(qū)動(dòng)。另一種可能性是通過離子的運(yùn)動(dòng)在金屬相和絕緣相之間轉(zhuǎn)換，但它們的速度受到成核緩慢和不均勻滲透生長的限制。

斯洛文尼亞的Jozef Stefan Institute團(tuán)隊(duì)展示了一種脈沖電流注入引起的電荷密度波系統(tǒng)的快速電阻開關(guān)。其中注入的電荷通過與CDW階參量的梯度耦合產(chǎn)生域壁(DWs)，在低溫下將材料從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)。從技術(shù)的角度來看，這為低溫超高速存儲(chǔ)設(shè)備的出現(xiàn)提供了可能性，而低溫超高速存儲(chǔ)設(shè)備的缺乏迄今為止嚴(yán)重阻礙了超高速節(jié)能超導(dǎo)計(jì)算的發(fā)展。

樣品制備：以碘為輸運(yùn)劑，采用化學(xué)輸運(yùn)法生長T-TaS2晶體，平均橫向尺寸為1 ~ 5mm，厚度~100 mm。用膠帶將單晶剝離得到薄片。將得到的50 ~ 100納米厚的薄片沉積在藍(lán)寶石襯底上。使用DALI光刻機(jī)，激光直接光刻技術(shù)在薄片頂部沉積4個(gè)金電極，初始層厚度為10 nm。
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DALI光刻機(jī) 基本參數(shù)：
⊙基板尺寸：100x100 mm
⊙激光波長：375 nm
⊙直寫光斑 ：1 µm 和 3 µm
⊙激光光斑定位分辨率： <1nm
⊙直寫速度：100.000 點(diǎn)/秒
⊙最小結(jié)構(gòu)尺寸：1µm
⊙設(shè)備尺寸 ：650 × 522 × 626 mm     80 kg
內(nèi)含用于對(duì)準(zhǔn)與觀察的顯微成像系統(tǒng)
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實(shí)驗(yàn)是在1T-TaS₂上進(jìn)行的，它在高溫下是一種簡單的金屬，具有單個(gè)Ta d電子帶穿過費(fèi)米能級(jí)。在T_c0=543 K時(shí)，形成集成電路CDW。在T_c1=350 K以下冷卻時(shí)，為了符合底層晶格，IC結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)幾乎相稱的(NC)狀態(tài)，其中每個(gè)13個(gè)Ta原子上的電子定位，導(dǎo)致由DWs分隔的NC極化子簇的規(guī)則六角形陣列。在T_c2=183 K以下，DWs消失，形成完全相稱的六邊形極化超晶格，這被認(rèn)為是具有D_Mott≃0.1 eV的Mott絕緣體。

當(dāng)電荷脈沖穿過材料時(shí)，它將1T-TaS₂中有序的極化子Mott絕緣態(tài)轉(zhuǎn)換為具有紋理化域壁的亞穩(wěn)電子態(tài)，并伴隨著極化子態(tài)到邊緣態(tài)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)從絕緣體到金屬的快速切換。大的電阻變化，高開關(guān)速度(30 ps)和超低的每比特能量為非易失性存儲(chǔ)設(shè)備操縱全電子狀態(tài)的新概念開辟了道路。  
相關(guān)成果以"Fast electronic resistance switching involving hidden charge density wave states”為題發(fā)表在《自然—通訊》 (Nature Communications)上