2026年7月27日——如今许多电子设备——从手机中的半导体到太阳能电池板中的光伏电池——都建立在薄膜基底上。薄膜是一种导电材料，而基底是一种惰性材料。真的是这样吗？

长期以来，物理学家和材料科学家一直认为基底不会对电刺激产生反应，但加州大学圣迭戈分校及合作团队的最新研究表明，基底并非惰性。这一发现有望帮助工程师构建密集、三维、受大脑启发的计算机芯片，以实现更节能的计算。该研究成果发表在《科学》（Science）杂志上。

这项研究始于四年前，在加州大学圣迭戈分校物理系副教授Alex Frañó的实验室中启动。Frañó是“节能神经形态计算量子材料中心”（Q-MEEN-C）的首席研究员兼副主任，该中心是美国能源部的能源前沿研究中心之一。Q-MEEN-C的目标之一是开发可用于神经形态（即“类脑”）计算的量子材料。

在人脑中，一个庞大的神经元网络在不同区域协同工作，支撑着我们的每一个思想和行动。然而，对人类来说快速简单的思维——如识别人脸、区分猫狗或解决验证码——对计算机来说却可能异常困难且能耗极高。量子材料或许能提供解决方案。

正是这种对开发新材料的追求，促使Frañó的实验室研究二氧化钒薄膜器件。当对薄膜施加电压时，会形成一根电丝——这与地球和大气之间产生足够电压导致闪电的情况类似。薄膜中的电丝驱动器件的电脉冲，就像我们神经元中的信号一样。

这种反应在全球实验室中已被研究无数次，但Frañó的实验室采用了一种由研究生Elliot Kisiel开发的新技术，称为暗场X射线显微镜。Kisiel大部分研究生阶段在阿贡国家实验室度过，现在是那里的Mayer博士后研究员。他开发了这一工具，以结合电子显微镜和X射线衍射两者的优势。

“暗场X射线显微镜使我们能够在一张图像中观察整个器件，这不仅大大提高了我们进行这些测量的速度，还让我们能够高保真地研究器件周围的区域，”他说道。

由于X射线的透镜通常较厚，会吸收大部分通过透镜的X射线，因此团队需要寻找能提供更强信号的观察对象，这就是为什么他们在用这项新技术进行初步测试时，决定观察基底。

他们看到的完全出乎意料：不仅薄膜发生了变化，基底也发生了变化，这首次表明两者在共享能量或“耦合”。这一发现推翻了数十年来科学家对基底的所有假设。

新时代计算的新材料

薄膜之所以得名，是因为它们极其薄——大约100纳米——而其上的基底厚度可能是其1万倍。尽管尺寸悬殊，但在此实验中，薄膜能够对基底施加推拉作用。Frañó将这一发现比作山顶上的一棵树能够移动整座山。此外，基底也对薄膜产生了作用，两者相互推拉。

在接下来的四年里，他们反复确认所观察到的现象并非偶然。他们不仅完全按照首次实验的方式重现了结果，还在改变样品某些方面（如基底的厚度和材料）后重现了结果。他们还使用不同的仪器验证了结果。其中大部分工作是在拥有高亮度X射线同步辐射装置的阿贡国家实验室，以及拥有全球唯一全电子超快电子显微镜的布鲁克海文国家实验室完成的，该显微镜能够精确捕捉工作器件在真实运行条件下的表现。

这并非偶然。

“基底是惰性的这一假设需要重新审视，”Frañó表示。“展望未来，我们必须假设当薄膜发生变化时，基底也在经历变化。这是一个颠覆性的观点，与数十年来此前的假设相悖。”

这篇论文是去年发表在ACS Nano上的一篇论文的姊妹篇，后者最近被提名为ACS Nano影响力奖最终入围作品。在那篇论文中，他们使用暗场X射线显微镜研究薄膜，而这篇论文则聚焦于基底。两者共同展示了如何从一个研究结果引出下一个研究问题。

对于Frañó来说，他现在问自己的问题是：“我们能利用这一基底新发现做什么？如果一棵树能移动整座山，那就让我们想办法利用这一点。”

一个想法是，基底可以作为介质，耦合基底两端的材料。目前，薄膜器件是二维连接的，但如果研究人员能在基底两侧进行构建，就能实现三维化，从而为更密集、更互联的计算机芯片开辟可能性，并使我们在下一代计算之路上更进一步。