硅，作为半导体材料的王者，长期以来一直是推动电子产品发展的基石。从智能手机到超级计算机，硅无处不在。然而，随着设备变得日益复杂，对处理能力的需求激增——这主要得益于人工智能、6G通信和数据密集型应用的进步——硅的局限性也变得日益明显。因此，世界各地的研究人员正在积极探索和开发替代材料和架构，以克服这些限制，引领电子性能的新时代。
超宽带隙材料是研究的核心，这些材料的特性使得它们在极端条件下也能高效导电，这使得它们成为高功率和高频应用的理想选择。氮化镓（GaN）已成为继硅之后第二大最常用的半导体，在照明、雷达系统和电力电子产品中得到应用。麻省理工学院的最新突破展示了一种可扩展的制造技术，该技术将GaN晶体管集成到标准的硅芯片上，从而创建3D芯片设计。这种集成有望显着提高带宽密集型任务的性能，如视频通话和实时深度学习，并且预计将成为下一代高速通信系统和先进数据中心所需电力电子产品的关键。能够无缝结合两种材料的优势——硅的成熟制造工艺和GaN的卓越性能——代表着向前迈出的重要一步。
除了GaN，一系列新型材料正在成为潜在的变革者。明尼苏达大学的研究人员在一种由常见金属组成的Ni₄W新材料方面取得了突破，该材料采用标准工业工艺制造，使其成为一种具有成本效益的解决方案。与此同时，他们还合成了一种独特的拓扑半金属薄膜，展示了以显着降低的能源消耗实现更高计算能力和内存存储的潜力。这种材料可以更有效地控制微型电子设备中的磁化，这对于更快的计算机内存至关重要。此外，对量子材料的研究揭示了按需控制材料导电性的可能性，有可能将电子速度提高1000倍。人们还在探索一种四元素半导体合金，它能够微调材料特性，超越纯硅的功能，为光学元件和量子电路打开了大门。即使是看似不相关的领域，如质子传导材料（传统上用于燃料电池），也在研究其促进新的绿色能源技术和更高效电子产品的潜力。手性拓扑半金属的发现具有产生电流的独特特性，进一步扩大了节能技术的可能性。
对效率的追求不仅限于材料创新，还扩展到基本设计原则。研究人员正在探索“轨道电子学”，利用电子的角动量来创造新型电子设备。诸如堆叠多个二硫属化物层以创建超快、非易失性位的三维阵列，直接耦合到光波导等概念，旨在最大限度地减少数据传输过程中的能量损失。此外，最近的发现挑战了先前关于超薄材料（特别是CrPS₄）中磁性的理论预测，为紧凑且节能的自旋电子学应用开辟了新途径。这些进步，加上肯塔基大学在控制磁能方面的突破，展示了一种改进电子性能的整体方法，同时解决了材料特性和设备架构问题。新的制造工艺的开发，例如麻省理工学院的那些工艺，对于将这些材料发现转化为切实的技术进步至关重要，为计算机、智能手机甚至量子计算的突破铺平了道路。
电子技术的未来取决于一种多方面的创新方法。尽管硅仍然是基石，但这种材料的局限性正在推动对替代材料的深入研究，如氮化镓、新型合金、拓扑半金属和量子材料。这些材料，结合诸如3D芯片架构和轨道电子学等创新设计策略，有望带来新一代的电子产品，这些产品不仅更快、更强大，而且能效也更高。这些进步的融合有望彻底改变广泛的技术，从日常消费设备到尖端科学仪器，并满足对可持续和高性能计算日益增长的全球需求。对这些材料和技术的持续探索和改进，代表着朝着未来迈出的关键一步，在未来，电子产品将无缝集成到我们生活的方方面面，由效率和创新驱动。
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