在微晶片的內部，驅動著各種設備的原子並非隨意散布，而是遵循著一種隱藏的秩序，這種秩序能夠影響半導體的行為。最近，由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）及喬治華盛頓大學的研究團隊首次直接觀察到這些微小的結構模式，稱為短程秩序（SRO）。這一重大的發現可以改變人們對半導體材料設計的理解，因為了解原子自然而然的排列方式，將使研究人員能夠設計出具備理想電子特性的材料。這種控制能力可能會徹底改變量子計算、模仿大腦的神經形態設備以及先進的光學探測器的發展。
這位研究團隊的成員之一、加州大學伯克利分校的教授安德魯·邁納（Andrew Minor）表示，這是首次實驗性地顯示這些短程秩序區域的個體結構。至今為止，混入半導體中的稀有微量原子的排列方式仍然是一個謎團。這些微量的錫、矽或其他元素不足以形成大型的重複模式，因此科學家們無法確定它們是隨機還是有序的。此外，傳統顯微鏡的解析度也無法達到足夠的清晰度來觀察這些隱藏的模式。邁納指出，這些隱藏的模式之所以重要，是因為它們影響著微電子學中最關鍵的性質——帶隙，而帶隙恰恰是控制電子特性的關鍵。
研究團隊試圖通過將先進顯微技術與機器學習相結合來解決這個問題。他們首先使用一種名為4D-STEM的強大電子顯微技術，研究含有微量錫和矽的鍺樣本。最初的圖像雜亂無章，因為來自鍺的強信號壓倒了微弱的錫和矽信號。為了改善這一情況，研究人員添加了一個能量過濾設備，提升了對比度，首次使細微的重複原子模式變得可見。在識別這些模式的過程中，他們利用了一個預訓練的神經網絡，該網絡能夠檢測到六種重複的主題——不同的原子排列，但具體結構卻不清晰。此時，喬治華盛頓大學的研究人員介入，建立了一個能夠模擬數百萬個原子的機器學習模型，通過執行模擬的4D-STEM，團隊測試了不同的排列方式，直到模擬中的主題與實驗數據相匹配。這種高分辨率成像、能量過濾和人工智能建模的無縫結合，最終揭示了半導體中隱藏的原子秩序。
這一發現可能會徹底改變半導體的設計方式。通過在原子層面上控制短程秩序，研究人員能夠調整帶隙及其他關鍵電子特性，從而實現更快的量子計算機、靈感來自大腦的設備和先進的光學傳感器。這也標誌著在理解那些過去因尺寸過小或複雜而無法直接研究的材料方面，邁出了重要的一步。加州大學伯克利分校的博士後研究人員莉莉安·沃格爾（Lilian Vogl）表示，這為在原子尺度上開啟信息技術的新時代鋪平了道路。然而，這項研究也面臨一些限制，例如，短程秩序的信號可能會被缺陷或室溫下的原子運動所掩蓋，研究人員仍在繪製這些主題如何影響材料行為的地圖。未來的研究將集中於探索這些效應，旨在操縱原子排列以設計新型設備。該研究已發表於《科學》期刊。
