Team opvarmer eksotiske topologiske isolatorer

Mode ændrer sig i avantgardeverdenen for næste generations computerkomponentmaterialer. Traditionelle halvledere som silicium frigiver deres sidste nye linjer. Eksotiske materialer kaldet topologiske isolatorer (TI'er) er på vej ind. Og når det kommer til afkøling, nitrogen er det nye helium.

Dette blev tydeligt vist i et nyt eksperiment på National Institute of Standards and Technology (NIST), der blev udført af et multiinstitutionelt samarbejde, herunder UCLA, NIST og Beijing Institute of Technology i Kina.

Topologiske isolatorer er en ny klasse af materialer, der blev opdaget for mindre end et årti siden efter tidligere teoretisk arbejde, anerkendt i Nobelprisen i fysik i 2016, forudsagde, at de kunne eksistere. Materialerne er elektriske isolatorer på indersiden, og de leder elektricitet på den ydre overflade. De er spændende for computerdesignere, fordi elektrisk strøm bevæger sig langs dem uden at aflede varme, hvilket betyder, at komponenter fremstillet af dem kunne reducere den høje varmeproduktion, der plager moderne computere. De kan også blive udnyttet en dag i kvantecomputere, som ville udnytte mindre velkendte egenskaber ved elektroner, såsom deres spin, at foretage beregninger på helt nye måder. Når TI'er leder elektricitet, alle elektronerne, der flyder i en retning, har det samme spin, en nyttig egenskab, som kvantecomputere kan udnytte.

De særlige egenskaber, der gør TI'er så spændende for teknologer, observeres normalt kun ved meget lav temperatur, typisk kræver flydende helium for at afkøle materialerne. Denne efterspørgsel efter ekstrem kulde gør ikke kun TI'er brugbare inden for elektronik, før dette problem er løst, men det gør det også svært at studere dem i første omgang.

Desuden, at gøre TI'er magnetiske er nøglen til at udvikle spændende nye computerenheder med dem. Men selv at få dem til det punkt, hvor de kan magnetiseres, er en besværlig proces. To måder at gøre dette på har været at infusere, eller "dope, "TI med en lille mængde magnetisk metal og/eller for at stable tynde lag af TI mellem skiftevis lag af et magnetisk materiale kendt som en ferromagnet. Imidlertid er øger dopingen for at skubbe temperaturen højere forstyrrer TI -egenskaberne, mens de alternative lagers kraftigere magnetisme kan overvælde TI'erne, gør dem svære at studere.

For at komme uden om disse problemer, UCLA -forskere forsøgte et andet stof til de skiftende lag:en antiferromagnet. I modsætning til de permanente magneter på dit køleskab, hvis atomer alle har nordpoler, der peger i samme retning, de flerlags antiferromagnetiske (AFM) materialer havde nordpoler, der peger en vej i et lag, og den modsatte vej i det næste lag. Fordi disse lagers magnetisme udelukker hinanden, den samlede AFM har ikke nettomagnetisme - men et enkelt lag af dets molekyler har det. Det var det yderste lag af AFM, som UCLA -teamet håbede at udnytte.

Heldigvis, de fandt ud af, at det yderste lags indflydelse magnetiserer TI, men uden den overvældende kraft, som de tidligere anvendte magnetiske materialer ville bringe. Og de fandt ud af, at den nye tilgang gjorde det muligt for TI'erne at blive magnetiske og demonstrere alle TI's tiltalende kendetegn ved temperaturer langt over 77 Kelvin - stadig for koldt til brug som forbrugerelektronikkomponenter, men varm nok til at forskere i stedet kan bruge nitrogen til at afkøle dem.

"Det gør dem meget lettere at studere, "siger Alex Grutter fra NIST Center for Neutron Research, som indgik et partnerskab med UCLA -forskerne for at tydeliggøre interaktionerne mellem det overordnede materiales lag samt dets spinstruktur.

"Ikke alene kan vi lettere udforske TI'ers ejendomme, men vi er spændte, fordi til en fysiker, at finde en måde at øge driftstemperaturen på, tyder dette dramatisk på, at der kan være andre tilgængelige måder at øge den igen. Pludselig, stuetemperatur -TI'er ser ikke så langt uden for rækkevidde. "