但在两位内布拉斯加物理学家的帮助下，一个国际研究团队终于完成了这项任务——结束了近15年的探索，观察到一种现象，这种现象可以帮助下一代电子产品供电和小型化。

2004年，研究人员通过氧化物制成的纳米夹层观察到电子气体：二维含氧原子的化合物。这种二维电子气体的证明表明了将电流限制在更小空间的希望，这反过来又将电子元件缩小到更小的规模。

然而，带负电的电子有一个对应物——带正电的“洞”，当它从原子轨道中被弹出时，就会留下这个洞。因此，物理学家开始创造和观察二维空气，它也充当电流源。

正如《自然材料》杂志所详述的，威斯康星大学麦迪逊分校和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员在实现这一长期追求的壮举方面处于领先地位。完善作文和备考需要几年的时间。内布拉斯加州的叶夫根尼齐姆博和图拉鲍德尔通过该大学的荷兰计算中心进行了理论计算和建模，为后者提供了信息。

食谱本身似乎很简单。为了产生二维电子气体，研究人员先前在中性衬底上沉积了一层带正电荷的氧化物层，并发现带负电荷的电子向下聚集到它们之间的纳米级空间中。通过在正切片的顶部增加一层带负电的层，然后在纳米夹层上覆盖另一层中性层，研究人员希望看到带正电的空穴向上迁移，形成自己的二维气体来模仿这种行为。

他们拒绝了。为什么呢？氧原子正在放弃它们的位置，它们带正电荷的空位——无法产生电流——阻止空穴向上移动。

“我们研究了不同浓度的氧空位，这些缺陷的不同位置，以及行为是如何变化的(因此)，”乔治霍姆斯大学物理学和天文学教授Tsymbal说。

研究小组发现，只要处于重态的人保持稳定，就可以消除一些缺氧的原子。

“定位非常重要，”进行大部分计算的研究助理教授鲍德尔说。“你不希望在应该有二维空气气体的区域附近出现氧空位。”

这些见解，加上纳米三明治中每一片厚度的精确规格，在威斯康星州进行了测试。威斯康星的研究人员通过用原子一层一层地构建这些薄片——用氧化物比许多其他类型的材料更容易制造——并在加压、富氧的环境中制造材料以最大限度地减少空位，成功地产生并表征了二维空穴气体。

注意这个空间。

几十年来，工程师们用半导体材料制造了大多数电子元件，例如硅，这是行业的主力军。

“问题是我们正在接近基本极限，”内布拉斯加州材料研究科学与工程中心主任Tsymbal说。“在某个时候(很快)，我们将接近某些极限，超过这些极限，我们就无法继续(遵循)半导体路线图，就像我们之前所做的那样。因此，我们需要从概念上改变设备的运行模式。”

其中一个限制是空间。将更多功能(如存储器)封装到更小的设备中的竞争迫使工程师们关注氧化物和其他材料，它们一起可以将电导率压缩到最严格的范围内。在这项新的研究中，一种叫做钛酸锶的氧化物被用来实现这个目标，钛酸锶被称为“氧化物电子硅”。

“这里的优势是极限——这种二维电子或空穴气体的厚度——比半导体小得多，”Tsymbal说。“例如，我们可以将它限制在一纳米，而不是几十纳米。因此，原则上，我们可以制造比半导体电子产品更小的器件。”

虽然钛酸锶和它的氧化物兄弟通常不会单独显示磁性，但它们有时会结合使用。它们甚至显示了超导的潜力——没有任何电阻的电流——以及对电气和计算机工程师有吸引力的其他特性。

作为理论家，齐姆博和鲍德尔对二维电子和空气可能平行流过同一种材料的现象很感兴趣。包括：将电子和空穴配对成粒子激子，这些激子的行为与单个大集团不同。

“带有这些互补的二维气体的氧化物现在可能开始作为纳米实验室，在其中创造和研究新的物理，”Paudel说。

Tsymbal说，如何将这些现象应用到最后仍然是一个未解决的问题，但值得讨论。

“当研究人员在60多年前开始研究半导体时，没有人知道它们会成为现代技术的核心，”Tsymbal说。“在这一点上，氧化物电子处于基础研究水平，因此很难预测它们的发展方向。

“但你可以非常精确地控制氧化物界面。一旦你有了这个，你就可以做一些类似于半导体实现的事情——但也许还有其他事情。”

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