大多数电子电路中的开关都是由最常见的元素之一——硅制成的。但它们的后继者可能包含目前还在实验室中生长的奇特材料：强关联金属氧化物。
这些材料的吸引力在于其金属原子周围电子的外壳层。这些外壳层是不完整的，使得电子可以自由地参与协调的量子力学行为。在某些材料中，电子配对产生超导性，或者协调它们的自旋产生磁性。其他材料可以从绝缘体切换为导体。
与温度接近绝对零度时发生的超导转变不同，绝缘体到导体的转变通常发生在温度升高时，有时发生在接近室温时。这让人燃起希望，金属氧化物可以用来代替硅制造晶体管。现在，一系列研究结果表明这看起来是可行的。“人们有兴趣看看氧化物是否可以用于实际应用，” 法国帕莱索联合物理研究所的物理学家曼努埃尔·比贝斯说。该研究所由法国国家研究中心和电子公司泰雷兹运营。
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金属氧化物晶体管比硅开关具有更低的功耗潜力，因为相变将电子从它们在每个原子附近的局部状态中释放出来，而无需将它们移动通过体材料。相比之下，硅开关的工作原理是将电子拉过材料到一个通道中，在那里它们导电（见“顺势而为”）。
图片：由《自然》杂志提供
在过去的 5-10 年里，研究人员已经成功地生长了高质量的金属氧化物薄膜——克服了应用的主要障碍之一。例如，2012 年 7 月，日本的一个研究小组报告说，他们已经沉积了一层二氧化钒薄膜，该薄膜在施加电场后会发生相变——证明该材料可以用作电子开关。
上个月，由马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的材料科学家什里拉姆·拉马纳坦领导的一个研究小组，通过在由硅和二氧化硅制成的衬底上生长镍酸钐薄膜，解决了一个制造难题。
纽约哥伦比亚大学的固态理论家安德鲁·米利斯说，镍酸盐是在一个相对较低的温度下沉积的，不会干扰下层的硅层，这提高了在硅晶圆上制造金属氧化物以形成三维芯片的可能性。米利斯说，这不仅可以使计算能力更加密集，还可以允许在现有电路架构之上构建金属氧化物开关。
其他小组正在试图了解相变的本质。今年 1 月，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的固态物理学家伊万·舒勒和他的同事表明，在氧化钒中，这种转变在很大程度上是由施加电场引起的微米级加热造成的。
一些人认为舒勒的研究证明金属氧化物永远无法制造出快速开关，因为加热效应通常相当缓慢。但是拉马纳坦说，他自己对氧化钒的测量表明，相变非常快——不到几纳秒——并且不应妨碍应用。
一些物理学家正在寻找更多具有潜在用途的材料的例子。德国斯图加特马克斯·普朗克固体研究所的伯恩哈德·凯默，将金属氧化物的薄层交替排列，形成复合材料，这些复合材料通常具有意想不到的特性。他的小组将导电的镍酸镧和绝缘的铝酸镧分层，发现该复合材料在这两种特性之间发生了转变。
复合材料的最高相变温度为绝对零度以上 150 开尔文——对于实际应用来说太低了。但是该小组现在正试图在其他可能具有更高转变温度的材料中复制这种现象。
纽约州伊萨卡市康奈尔大学的应用物理学家桑迪普·蒂瓦里承认，金属氧化物尚未能与硅竞争。但是，鉴于最近的进展，他认为研究人员需要开始尝试在设备中实现它们。他说，这样，良好晶体管所需的所有特性将同步开发。“如果你只关注你最喜欢的特性，你就无法获得所有特性。”