图片来源：物理学家组织网

即便是最先进的芯片，也会随着时间推移逐渐“老化”。其“元凶”之一，就是所谓的“热载流子退化”。带电的高能电子会在器件内部引发化学变化，慢慢侵蚀芯片性能，但这一过程的具体机制一直不清楚。

此次，研究团队将目光投向晶体管中的硅与氧化层界面。在这里，制造过程中会引入氢原子，对断裂的硅键进行“钝化”，相当于给这些“缺口”打上补丁，避免其变成影响性能的电学缺陷。但在器件工作时，电子持续流动，会使氢原子脱离。一旦“补丁”脱落，断裂的硅键重新暴露，器件性能也随之下降。

长期以来，学界普遍认为，这种键断裂是大量电子反复“撞击”累积的结果。但团队通过先进量子模拟发现，单个高能电子就足以触发这一过程。他们识别出一个此前隐藏的电子态，当电子短暂“占据”这一态时，会削弱硅—氢键，并将氢原子从原位“推开”。更重要的是，研究发现氢原子的脱离遵循量子力学规律，而非经典力学。在传统理解中，只要硅和氢之间距离超过阈值，就意味着键断裂。但在量子世界里，氢更像一团弥散的“云”或“波包”，键是否断裂取决于其扩散到一定范围之外的概率。

团队表示，这一量子框架为材料科学家提供了一种全新的“预测工具”，可以提前判断在极端条件下哪些化学键更容易断裂，有望指导人们设计出更稳定、寿命更长的电子材料与器件。