美丽物质新世界

苹果于2月9日自美国专利暨商标管理局取得关于以量子穿隧效应(quantum tunneling effect)材料的触敏(touch-sensitive)电子设备专利(专利号码US 2017/0038793A1，“Input mechanism with deformable touch-sensitive material”)，此设备有可能取代原先机械式按钮－例如手机的电源开关，电子器具的设计将从此改观。

才不久之前，Nantero这家开发NRAM的公司宣布与Fujitsu合作，明年将以55nm制程量产快速、低功耗的非挥发性存储器。NRAM的全名是Nano RAM，其中储存信息的主要元件是以纳米碳管(carbon nanotube)的断路或代理形成0与1的态。纳米碳管是1991年发现的新材料，2001年用之以设计场效晶体管，现在也要进入半导体领域、未来有可能领风骚数十年。

STT MRAM也要进入量产了。目前写入电流的大小还不尽如人意，改进的方向有二：一是用重金属来产生较大的自旋轨道转矩(SOT；Spin-Orbit Torque)，翻转用来记忆信息的铁磁层磁化方向。另一是用压控磁性各向异性(VCMA；Voltage-Control Magnetic Anisotropy)。这二者的进展都需要新材料的引入，特别是后者，解决方案之一是寻找一种具高磁电效应(magnetoelectric effect)的新物质，许多产学界的研发活动积极进行中。

石墨烯(graphene)在2004年才由曼彻斯特大学的 Andre Geim 和 Kostya Novoselov用宏观的方法由石墨分离制造出来。由于石墨烯的应用广泛，现在类似石墨烯的二维材料的查找、应用研发方兴未艾，是材料科学中的新显学。

从苹果专利到石墨烯，这些新技术领域都有一个共同的特点：它们的进展改为倚重新材料的开发，而于技术上的应用则是利用新材料的一些新物理特性和机制。这与过去电子产业－尤其半导体产业－的发展进程很集中的依赖制程微缩技术以大幅提升芯片的功能不同。

而于研发材料的方法与上世纪的方法也大不相同。上世纪的材料研发高度依赖于化学的合成，领域的知识固然可以提供开发的方向，但是实验室的经验和操作技巧绝对是关键要素。近年来由于电脑的计算能力大幅提升，新物质的所有光、电、磁、热、压、传输等性质以及这些性质之间的交互作用如光电效应、磁电效应、压电效应、磁致伸缩等都可以在实验之前先以第一原理计算(first principles calculation; 注)预测出来。做实验只尝试以第一原理计算筛选出性质最理想的候选物质，做了往往一发中的，实验的数据也与第一原理计算预测若合符节。所以新物质研究的方法结合理论与电脑，变成地毯式的搜索，更有效率、也更省经费，研发成果也更能掌握应用。

21世纪的硬件创新主轴逐渐倾斜向新物质、新材料、新物理机制的开发。台湾的研发能量也许无法以填充周期表的方式来涵盖所有的新物质查找，但是集中努力在一个特定领域，譬如是半导体的储存元件或物联网的传感元件，还是可以开创出一片小天地的。

注：「第一原理计算」是指从基本的物理学定律出发，在计算过程中不需要由实验提供经验参数，只要知道材料组成的元素便可直接从解其对应的薛丁格方程(描述物理系统的量子态如何随时间演化的偏微分方程序)，求出其所有的物性。