北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的科學(xué)家為電子開辟了一條單行道，這些電子可能會釋放設(shè)備處理超高速無線數(shù)據(jù)的能力，同時為電力收集能量。研究人員通過在微觀尺度上塑造硅，為電子創(chuàng)造一個漏斗或“棘輪”，從而做到了這一點(diǎn)。

這種方法通過去除容易降低設(shè)備速度的接口，克服了現(xiàn)有技術(shù)的速度限制。北卡羅來納大學(xué)教堂山藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的博士生小詹姆斯·卡斯特說：

這項(xiàng)研究工作令人興奮，因?yàn)樗梢宰屜竦凸闹悄苁直磉@樣的東西，在未來可以從它們已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)中無線充電，而不需要離開人的手腕。其研究成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上，卡斯特是主要作者，他與杜克大學(xué)和范德比爾特大學(xué)的合作者一起參與研究工作。電子攜帶電流，它們通常不受電流流經(jīng)的導(dǎo)線形狀的影響，然而，當(dāng)變得非常小的時候，形狀就開始變得很重要了。

這里的漏斗非常小，比普通電線小一百多萬倍。結(jié)果，里面的電子表現(xiàn)得就像臺球一樣，從表面自由反彈。然后，不對稱的漏斗形狀會使電子優(yōu)先在一個方向上反彈。實(shí)際上，電子被迫沿著單行道行駛。在直流(DC)電壓下，漏斗使電流更容易正向流動，而不是反向流動，從而形成了一個電二極管。當(dāng)施加交流電(AC)時，該結(jié)構(gòu)仍然只允許電流向一個方向流動，表現(xiàn)為棘輪的行為，并導(dǎo)致電子在一側(cè)積聚，沒人會想到導(dǎo)線的形狀也會影響電子電流，再一次顛覆了常識！

這個過程就像套筒扳手，棘輪力只在一個方向上產(chǎn)生物理運(yùn)動。這項(xiàng)研究工作表明，這些電子棘輪創(chuàng)造了在室溫下工作的“幾何二極管”，并可能在太赫茲區(qū)域解鎖前所未有的能力。化學(xué)副教授詹姆斯·卡洪(James Cahoon)說：電二極管是電子學(xué)的基本組成部分，研究結(jié)果表明，對于工作在非常高頻率的二極管，可能會有完全不同的設(shè)計范式。結(jié)果是可能的，因?yàn)樽韵露系厣L這些結(jié)構(gòu)，使用一種合成過程，產(chǎn)生幾何上精確的單晶材料。

電子棘輪是由先前在Cahoon小組開發(fā)的一種名為Engrave的工藝創(chuàng)造出來，該工藝代表“通過VLS和蝕刻實(shí)現(xiàn)編碼的納米線生長和外觀”。Engrave使用氣-液-固工藝來化學(xué)生長硅單晶圓柱體，稱為納米線，具有精確定義的幾何形狀。這一領(lǐng)域的很多工作之前都是在低溫下用昂貴材料完成，但新研究突出表明，用相對便宜的硅制成幾何二極管可以在室溫下工作，這甚至讓研究人員一開始感到驚訝，其研究結(jié)果能激起人們對幾何二極管的興趣。

二極管是所有技術(shù)的主干；它們允許計算機(jī)通過將信號編碼為1和0來處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)上，二極管需要材料之間的接口，例如n型和p型半導(dǎo)體之間或半導(dǎo)體和金屬之間的接口。相比之下，幾何二極管是由單一材料制成的，只需使用形狀優(yōu)先將電荷定向到一個方向。隨著不斷的發(fā)展，納米線電子棘輪有望為新技術(shù)鋪平一條高速、單向的道路。

博科園｜研究/來自：北卡羅來納大學(xué)教堂山分校

參考期刊《科學(xué)》

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