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应用超导：约瑟夫森效应和超导电子学
2.6 不同施加磁场下小约瑟夫森结中的约瑟夫森电流分布....................................................................................................................................................56
基于醌的单分子开关作为分子电子学的构建块
虽然半导体电路的小型化仍在继续，但它已不再遵循摩尔定律，摩尔定律预测每 18 个月单位面积晶体管数量将翻一番。这种小型化必须在可预见的未来达到其物理极限。克服这一障碍的一种可能途径是使用分子电子学，其中单个分子将充当电子设备的构建块，例如晶体管或存储元件。张 1 最近的一篇评论文章展示了一个活跃的研究领域。Schaub 等人 2,3 报道了一种可控开关，由沉积在 Cu-(110) 表面上的偶氮苯分子组成。如果施加大于 0.3 V 的电压，则可以产生两种对称性相关的互变异构体中的一种，具体取决于扫描隧道显微镜 (STM) 尖端的位置。较小的电压允许在不改变分子的情况下确定其当前的互变异构状态。翻译成计算语言，这构成了一个可以写入和读取的存储元件。不幸的是，STM 尖端需要移动到分子上方的正确位置，这使得操作无法以可能与当前微电子器件相媲美的频率进行。另一个问题是，电导率的变化只与表面垂直的方向有关，因为支撑金属会使任何平行于表面的电压短路。为了制造出可用于电子设备的分子，必须具备三个先决条件：双稳态、
16:332:581：固态电子学简介 2023 年秋季
可以通过电子邮件、课后或办公时间联系我，安排额外的个人会议来讨论课程材料或任何其他问题。有时，如果我在校园有空闲时间，我会在我的网页上的“办公时间”标签上发布我的位置以及我将在那里的时间。
用于超导量子比特控制和读出的可扩展低温电子学
读出量子位，如图 1a 所示。图 1b-d 表示量子计算机从传统方法演变为可扩展架构。量子位是量子计算机中的基本计算块，由于其叠加和纠缠特性，可实现指数级更快的计算。量子位是一个两级系统，可以处于量子态 j ψ i ，可以表示为其两个计算基态 j 0 i 和 j 1 i 的叠加。这两个状态占据不同的层次，与经典数字逻辑零和一完全类似。量子位的状态有一个独特的注释，即布洛赫球面单位球表面上的一个点。如图 1e 所示，布洛赫球的北极和南极分别代表 j 0 i 和 j 1 i 状态，而布洛赫球表面的所有其他点则对应于不同的叠加态 j ψ i = α j 0 i + β j 1 i 。量子叠加态的振幅与平均占空比信号的经典模拟之间可以进行类比。两个电压电平 VDD 和 GND 在进行占空比和平均后，提供 VDD 和 GND 之间的所有电平，S avg = α VDD + β GND，如图 1f 所示。此外，在读出量子态时，输出要么处于 j 0 i 状态，要么处于 j 1 i 状态。同样，在读出经典模拟中的占空比平均信号时，输出要么为 VDD 要么为 GND。
电源电子学异常检测和诊断机器学习和深度学习方法：调查
电力电子与电子电路的概念，调节和利用有关，以熟练地管理和转换电能。电力电子设备在维持复杂生产系统的可靠性，效率和安全性方面起着至关重要的作用。此外，在可再生能源系统，电动汽车和工业自动化等各种应用中越来越重要。但是，由于信息和通信技术的整合，现代电力电子系统易受网络和物理异常的影响。到目前为止，已经使用了不同的方法来检测异常。本调查概述了使用机器学习和深度学习方法在电力电子中的最新目的。它突出了这些技术在解决电力电子系统日益增长的复杂性和脆弱性方面的潜力。
社论：神经电子学：迈向神经元系统和新兴电子的共生
在神经形态和神经杂交系统中的研究目前是现代科学和技术中最令人兴奋和有趣的多学科趋势之一。他们整合了神经科学，电子，物理和数学的领域。基于微电子设备和回忆横梁建立人工神经元和神经网络方面的最新进展刺激了朝着一般的人工智能（AI）促进了质的飞跃。在这方面，可以将神经电子学定义为对生命神经系统动机的广泛计算任务的模拟和数字解决方案的合成。基于标准或熟悉组件的模拟神经形态系统是这种方法的特殊性。与基于数字组件的AI加速器相比，它们可以显着提高吞吐量和能量效率。这样的系统模仿了生物神经网络的计算特征，这些计算特征可以解决不理解的任务（通常被描述为“认知”）被传统的AI或高度耗时的。此外，神经电源溶液可以与大脑或活神经元电路集成并形成神经杂交系统。这样的系统可以利用生物细胞的复杂分子机制（例如，记忆和适应），并支持串联人工部分进行的快速计算。这意味着通过与生活系统的互动来塑造的人工网络中计算和学习的实施，最终实施了特定的大脑功能（替换受损的神经回路或增强其功能）。自然和人工系统的共生也可能使为神经形态设备开发新的学习方法是可能的，在这些方法中，活着神经元网络充当“老师”。从基本和应用的角度来看，一个战略性问题是活着神经网络参与合成信息处理。基于合成系统和生物系统之间双向相互作用的真正混合方法的步骤可以带来显着的好处：它们可以导致
二维范德华铁磁体中的磁振子应变电子学......
图 1. (a) 单个 CrSBr 层晶体结构的顶视图。青色、黄色和粉色球分别代表铬、硫和溴原子。连接 Cr 原子的箭头表示第一、第二和第三邻域的 J 1 、 J 2 和 J 3 磁交换相互作用。 (b) 相同 CrSBr 结构的侧面图，显示沿 b 的自旋方向。 (ch) 计算的最大局部化 Wannier 轨道。绿色箭头表示最相关的磁性超交换通道，即 J 1 (c、f)、J 2 (d、g) 和 J 3 (e、h) 的 t 2g -eg (FM)、t 2g -t 2g (AFM) 和 eg -eg (AFM)。
固体氖和超流体氦界面的量子电子学和光学
我们预测在两种惰性气体元素凝聚相（固态氖和超流体氦）界面处将出现一种新的量子电子结构。注入该界面的过量电子将其波函数自限制在纳米圆顶结构中。其尺寸随压力而变化，光学跃迁覆盖宽广的中红外光谱。这些电子的集合可以形成经典的维格纳晶体，类似于三角晶格上的量子点阵列。在超快激光照射下，这种维格纳晶体可以在皮秒时间尺度上表现出超辐射的量子光学现象。超长的自旋相干时间和微米级确定性可配置性使该系统中的电子可以充当量子信息载体。它们的自旋状态可以由片上单电子器件控制和读出。
用于零能边缘态纳米电子学的外延石墨烯平台
由于光刻图案化沉积石墨烯中普遍存在边缘无序，以及缺乏新的电子学范式，石墨烯最初有望取代硅，但这一希望落空了。本文我们证明了在碳化硅衬底（外延石墨烯）上外延生长的传统图案化石墨烯中的退火边缘由衬底稳定，并支持受保护的边缘状态。边缘状态的平均自由程大于 50 微米，比本体状态大 5000 倍，并且涉及理论上意想不到的马约拉纳类零能量非简并准粒子，该准粒子不会产生霍尔电压。在无缝集成结构中，边缘状态形成零能量一维弹道网络，在带带结处具有基本无耗散的节点。无缝器件结构提供了各种切换可能性，包括低温下的量子相干器件。这使得外延石墨烯成为技术上可行的石墨烯纳米电子学平台，有可能取代硅纳米电子学。
硅纳米电子学、纳米结构和高效硅光伏技术的进展
硅是一种无处不在的半导体材料，可用于多种应用，是现代电子和能量收集的基础。硅基微电子，如今更确切地说是纳米电子，将在不久的将来达到 10 纳米以下的技术节点。在这些尺寸下，纳米尺寸效应（例如量子限制、掺杂的统计问题、表面状态等）开始发挥作用，降低性能和可靠性，甚至导致晶体管完全失效。这些纳米尺寸效应中的几种已经在精心制造的 Si 纳米结构上进行了研究，在那里获得的研究结果可能对于规避 FET 达到单纳米尺寸时出现的问题至关重要。此外，Si 纳米结构的非常规和新颖方法也令人感兴趣，因为它们可以提供替代的解决方法，有助于防止未来技术节点实施的进一步延迟，目标是在降低功耗的情况下提供更高的性能。除了电子晶体管之外，硅纳米结构（如纳米线和纳米粒子）还为传感器、量子器件、操纵器、执行器、光电子学、生物标记等领域的各种跨学科应用开辟了全新的前景。由于表面体积比高，硅纳米结构主要由表面决定，因此需要新的物理和化学知识来了解其特性。这些知识尚未完成并转移到现代晶体管技术中。在能量收集领域，硅光伏电池通过用异质结取代扩散的 p/n 同质结（充当载流子选择性和高度钝化（无复合）接触）提高了效率。这一概念允许研究一系列新材料作为接触，但需要精确了解它们与硅的界面特性。尽管有报道称至少在实验室规模的太阳能电池上转换效率令人印象深刻，但尚未找到结合了正确的电子和光学特性并与工业批量生产兼容的理想异质接触。进一步的跨学科研究必须找到或开发将合适的 Si 表面钝化与载流子选择性隧穿、长期稳定性以及可靠且经济高效的制造相结合的材料。