NJIT教授获得NSF职业奖以研究下一代电子产品的量子材料

NJIT物理学助理教授 Junjie Yang 获得了国家科学基金会 (NSF) 的职业奖，以探索量子材料的不寻常特性，这些特性有可能推动下一代更小、更节能的电子设备。

CAREER Award 是 NSF 最负盛名的奖项之一，旨在支持有潜力成为研究和教育领域的学术榜样并引领其部门或组织使命进步的早期职业教师。每年全国颁发约500个奖项。

作为他为期五年的资助项目的一部分，Yang 的实验室正在研究氧化铪 (HfO2) 晶体中复杂的原子振动，这种振动导致材料的非凡物理特性，物理学家和工程师正在探索这些特性，以设计耗电较少的计算机未来。

“很荣幸获得 NSF 职业奖，”杨说。“这令人兴奋，因为该奖项将加强我们小组的研究工作，以调查氧化铪大块晶体中发现的特殊电学性质的微观起源……这是释放这种具有重要科学意义的材料潜力的关键一步。”

基于氧化铪的晶体是一组被称为铁电体的量子材料的一部分——这些材料以表现出自发的内部电荷或极化而著称，当暴露于外部电压源(例如电池)时可以切换。

“自发极化的两种可切换状态可以被认为是逻辑上的‘开’和‘关’状态，”杨解释道。“一旦设置，极化是一种非易失性特性，不像当前的硅基存储设备，断电会导致存储的信息丢失。同样值得注意的是速度……极化的读/写操作可以小于一纳秒。”

杨说，这种材料的电极化为当今硅基计算机芯片的电压要求提供了一种有前途的替代方案，有可能推动超低功耗微电子技术的发展，并推动摩尔定律的发展。在 1960 年代，英特尔联合创始人戈登摩尔预测，计算机微芯片上的晶体管数量每两年就会翻一番，从而推动计算机性能和小型化的速度。

“这是很有希望的，但关于铁电性如何在这种材料中产生，仍然有很多不清楚的地方，这阻碍了基于氧化铪的设备的发展，”杨说。“我们的目标是通过表征原子在这些晶体中的振动方式来填补理解上的一个重要空白。这些振动在材料的铁电性中起着至关重要的作用。”

为了解更多信息，Yang 的团队正在探索携带氧化铪基大块单晶自然振动的声子粒子的活动。Yang 的团队将在橡树岭国家实验室和 NIST 中子研究中心等最先进的研究设施中应用中子散射技术来研究这种振动活动。

最终，该项目旨在建立在当前对基于二氧化铪的铁电材料的科学理解的基础上，并可能有助于合成和制造新的铁电量子材料以供未来应用。

该项目还将研究活动与所有学术水平(K-12 学生、本科生和研究生)的教育相结合，以培养下一代物理学家和材料科学家。Yang 与自由科学中心、富兰克林矿物博物馆、罗格斯大学和当地高中合作，开发了一个“天然矿物和量子材料”教育项目，为 K-12 学生提供学习机会。

从 2023 年 7 月到 2028 年，该奖项的资金总额为 570,762 美元。