大多數電子電路中的開關都是由最常見的元素之一——矽製成的。但它們的後繼者可能包含目前還在實驗室中生長的奇特材料：強關聯金屬氧化物。
這些材料的吸引力在於其金屬原子周圍電子的外殼層。這些外殼層是不完整的，使得電子可以自由地參與協調的量子力學行為。在某些材料中，電子配對產生超導性，或者協調它們的自旋產生磁性。其他材料可以從絕緣體切換為導體。
與溫度接近絕對零度時發生的超導轉變不同，絕緣體到導體的轉變通常發生在溫度升高時，有時發生在接近室溫時。這讓人燃起希望，金屬氧化物可以用來代替矽製造電晶體。現在，一系列研究結果表明這看起來是可行的。“人們有興趣看看氧化物是否可以用於實際應用，” 法國帕萊索聯合物理研究所的物理學家曼努埃爾·比貝斯說。該研究所由法國國家研究中心和電子公司泰雷茲運營。
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金屬氧化物電晶體比矽開關具有更低的功耗潛力，因為相變將電子從它們在每個原子附近的區域性狀態中釋放出來，而無需將它們移動透過體材料。相比之下，矽開關的工作原理是將電子拉過材料到一個通道中，在那裡它們導電（見“順勢而為”）。
圖片：由《自然》雜誌提供
在過去的 5-10 年裡，研究人員已經成功地生長了高質量的金屬氧化物薄膜——克服了應用的主要障礙之一。例如，2012 年 7 月，日本的一個研究小組報告說，他們已經沉積了一層二氧化釩薄膜，該薄膜在施加電場後會發生相變——證明該材料可以用作電子開關。
上個月，由馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的材料科學傢什里拉姆·拉馬納坦領導的一個研究小組，透過在由矽和二氧化矽製成的襯底上生長鎳酸釤薄膜，解決了一個製造難題。
紐約哥倫比亞大學的固態理論家安德魯·米利斯說，鎳酸鹽是在一個相對較低的溫度下沉積的，不會干擾下層的矽層，這提高了在矽晶圓上製造金屬氧化物以形成三維晶片的可能性。米利斯說，這不僅可以使計算能力更加密集，還可以允許在現有電路架構之上構建金屬氧化物開關。
其他小組正在試圖瞭解相變的本質。今年 1 月，加利福尼亞大學聖地亞哥分校的固態物理學家伊萬·舒勒和他的同事表明，在氧化釩中，這種轉變在很大程度上是由施加電場引起的微米級加熱造成的。
一些人認為舒勒的研究證明金屬氧化物永遠無法制造出快速開關，因為加熱效應通常相當緩慢。但是拉馬納坦說，他自己對氧化釩的測量表明，相變非常快——不到幾納秒——並且不應妨礙應用。
一些物理學家正在尋找更多具有潛在用途的材料的例子。德國斯圖加特馬克斯·普朗克固體研究所的伯恩哈德·凱默，將金屬氧化物的薄層交替排列，形成複合材料，這些複合材料通常具有意想不到的特性。他的小組將導電的鎳酸鑭和絕緣的鋁酸鑭分層，發現該複合材料在這兩種特性之間發生了轉變。
複合材料的最高相變溫度為絕對零度以上 150 開爾文——對於實際應用來說太低了。但是該小組現在正試圖在其他可能具有更高轉變溫度的材料中複製這種現象。
紐約州伊薩卡市康奈爾大學的應用物理學家桑迪普·蒂瓦里承認，金屬氧化物尚未能與矽競爭。但是，鑑於最近的進展，他認為研究人員需要開始嘗試在裝置中實現它們。他說，這樣，良好電晶體所需的所有特性將同步開發。“如果你只關注你最喜歡的特性，你就無法獲得所有特性。”