液態(tài)金屬，從字面上理解，就是保持液體狀態(tài)的金屬。如鎵銦合金，是常溫常壓下保持液態(tài)的一類(lèi)合金。液態(tài)金屬具有良好的導(dǎo)電性，蘊(yùn)含著豐富的物理圖景。在普通人看來(lái)，液態(tài)金屬可能是體溫計(jì)中流動(dòng)的水銀，是高溫鍋爐中沸騰的鐵水?？稍诳茖W(xué)家眼中，它是流動(dòng)的軟體生命，是連接人體神經(jīng)的橋梁，是未來(lái)機(jī)器人變革的核心材料等。

但液態(tài)金屬可以用來(lái)制造計(jì)算機(jī)核心電子元件，進(jìn)而引發(fā)計(jì)算機(jī)的革命。不久前，我國(guó)一個(gè)研究小組發(fā)表了一項(xiàng)成果，在國(guó)際上首次提出了基于液態(tài)金屬的全液態(tài)量子器件技術(shù)的概念，并明確指出這一超越傳統(tǒng)的可變形柔性器件，有望助推新一代量子計(jì)算機(jī)和人工智能系統(tǒng)的發(fā)展。相關(guān)論文近日公布在美國(guó)物理學(xué)預(yù)印本網(wǎng)站上。

量子計(jì)算機(jī)被普遍認(rèn)為是新一代計(jì)算機(jī)的重大發(fā)展方向，其計(jì)算能力主要基于對(duì)微觀量子態(tài)的操縱。量子計(jì)算機(jī)在物理實(shí)現(xiàn)上要走向集成化和小型化，其最為核心的一種邏輯運(yùn)算器件是依托量子隧穿效應(yīng)，即電子像沿著隧道一樣穿過(guò)薄的絕緣層。

研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中科院理化所與清華大學(xué)雙聘教授劉靜說(shuō)，目前幾乎所有實(shí)現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)的器件均由一個(gè)三明治剛體結(jié)構(gòu)組成，中間層為絕緣的納米尺度薄層，兩側(cè)為導(dǎo)電介質(zhì)電極。而具體實(shí)現(xiàn)的材料，中間層通常為絕緣材料，兩側(cè)區(qū)域?yàn)榻饘賹?dǎo)體或超導(dǎo)體。這些結(jié)構(gòu)由于是固體器件，制造精度要求極高，中間層厚度不易靈活調(diào)整，整個(gè)器件的形狀無(wú)法變形、分割，一旦制備出來(lái)，一般只能按其特定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，在應(yīng)用上會(huì)受到一定限制。

液態(tài)金屬既具有金屬的高導(dǎo)電特征，又兼具流體的柔性和可變形性，表面易于達(dá)到原子級(jí)別的完美光滑度。該小組此前發(fā)表于美國(guó)《應(yīng)用物理快報(bào)》上的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬置于液體中會(huì)自然形成一個(gè)“液態(tài)金屬電極—液膜—液態(tài)金屬電極”的三明治結(jié)構(gòu)，在外界因素作用下可靈活變形。取決于不同的外加電場(chǎng)作用，液膜間隙可達(dá)極小尺度甚至完全消失，其兩側(cè)電阻會(huì)隨此尺寸和結(jié)構(gòu)的變化作對(duì)應(yīng)響應(yīng)。因此，如果將兩個(gè)液態(tài)金屬之間的液膜厚度控制在一定范圍內(nèi)，則有望實(shí)現(xiàn)全液態(tài)量子隧穿效應(yīng)。

基于此理論構(gòu)想，由中科院理化所、清華大學(xué)與云南大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研究小組，首次提出了一種突破傳統(tǒng)剛性量子器件觀念的全液態(tài)量子隧穿效應(yīng)器件的思想，并給出了制備方法，部分材料和技術(shù)方案已經(jīng)形成發(fā)明專(zhuān)利。

業(yè)界專(zhuān)家表示，目前雖已能制造出尺寸在1納米左右的納米晶體管，但大量如此精細(xì)尺度的晶體管在實(shí)現(xiàn)電學(xué)互聯(lián)上存在巨大困難。可變形液態(tài)金屬量子材料與器件技術(shù)思想的提出，可能助推新一代量子計(jì)算與智能系統(tǒng)的制造和集成技術(shù)的突破。

基于液態(tài)金屬器件，該研究組還在早前于國(guó)際上首次提出了液態(tài)金屬計(jì)算機(jī)的基本概念和技術(shù)方案，相應(yīng)發(fā)明專(zhuān)利的基本架構(gòu)和核心器件已獲得受理，系國(guó)際上該領(lǐng)域的全新嘗試。