Forskere observerer elektroner, der zipper rundt i krystaller

Slutningen af ​​siliciumalderen er begyndt. Når computerchips nærmer sig de fysiske grænser for miniaturisering og strøm-sultne processorer øger energiomkostningerne, forskere leder efter en ny afgrøde af eksotiske materialer, der kan fremme en ny generation af computerenheder, der lover at skubbe ydeevnen til nye højder, mens de sparer på energiforbruget.

I modsætning til den nuværende siliciumbaserede elektronik, som kaster det meste af den energi, de forbruger som spildvarme, fremtiden handler om computere med lav effekt. Kendt som spintronics, denne teknologi er afhængig af elektronens kvantefysiske egenskab - op eller ned - for at behandle og lagre information, frem for at flytte dem rundt med elektricitet, som konventionel computing gør.

På jagten på at gøre spintronic -apparater til virkelighed, forskere ved University of Arizona studerer en eksotisk afgrøde af materialer kendt som overgangsmetal -dichalcogenider, eller TMD'er. TMD'er har spændende egenskaber, der låner sig til nye måder at behandle og lagre information på og kunne danne grundlag for fremtidige transistorer og solceller - og muligvis endda tilbyde en vej til kvanteberegning.

For eksempel, nuværende siliciumbaserede solceller konverterer realistisk kun omkring 25 procent af sollyset til elektricitet, så effektivitet er et problem, siger Calley Eads, en femteårs doktorand i UA's Institut for Kemi og Biokemi, der studerer nogle af egenskaberne ved disse nye materialer. "Der kan være en enorm forbedring for at høste energi, og disse materialer kan muligvis gøre dette, " hun siger.

Der er en fangst, dog:De fleste TMD'er viser kun deres magi i form af ark, der er meget store, men kun et til tre atomer tynde. Sådanne atomlag er udfordrende nok til at fremstille i laboratorieskala, endsige i industriel masseproduktion.

Mange bestræbelser er på vej til at designe atomisk tynde materialer til kvantekommunikation, lav effekt elektronik og solceller, ifølge Oliver Monti, en professor i afdelingen og Eads 'rådgiver. Studerer en TMD bestående af skiftevis lag af tin og svovl, hans forskerhold opdagede for nylig en mulig genvej, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Vi viser, at for nogle af disse ejendomme, du behøver ikke gå til de atomisk tynde plader, "siger han." Du kan gå til den meget lettere tilgængelige krystallinske form, der er tilgængelig fra hylden. Nogle af ejendommene er gemt og overlever. "

Forståelse af elektronbevægelse

Det her, selvfølgelig, kunne dramatisk forenkle enhedsdesign.

"Disse materialer er så usædvanlige, at vi bliver ved med at opdage mere og mere om dem, og de afslører nogle utrolige funktioner, som vi tror, ​​vi kan bruge, men hvordan ved vi det med sikkerhed? "siger Monti." En måde at vide det på er ved at forstå, hvordan elektroner bevæger sig rundt i disse materialer, så vi kan udvikle nye måder at manipulere dem på - f.eks. med lys i stedet for elektrisk strøm, som konventionelle computere gør. "

For at lave denne undersøgelse, holdet måtte overvinde en forhindring, der aldrig var blevet ryddet før:finde ud af en måde at "se" individuelle elektroner, når de flyder gennem krystallerne.

"Vi byggede det, der i det væsentlige er et ur, der kan tid flytte elektroner som et stopur, "Monti siger." Dette tillod os at få de første direkte observationer af elektroner til at bevæge sig i krystaller i realtid. Indtil nu, der kun var gjort indirekte, ved hjælp af teoretiske modeller. "

Arbejdet er et vigtigt skridt i retning af at udnytte de usædvanlige træk, der gør TMDs spændende kandidater til fremtidig behandlingsteknologi, fordi det kræver en bedre forståelse af, hvordan elektroner opfører sig og bevæger sig rundt i dem.

Montis "stopur" gør det muligt at spore elektroner i bevægelse med en opløsning på kun et attosekund - en milliarddel af en milliarddel af et sekund. Sporingselektroner inde i krystallerne, teamet gjorde en anden opdagelse:Ladestrømmen afhænger af retning, en observation, der ser ud til at flyve over for fysikken.

Samarbejde med Mahesh Neupane, en beregningsfysiker ved Army Research Laboratories, og Dennis Nordlund, en røntgenspektroskopi-ekspert ved Stanford Universitys SLAC National Accelerator Laboratory, Montis team brugte en tunable, højintensitets røntgenkilde for at ophidse individuelle elektroner i deres testprøver og hæve dem til meget høje energiniveauer.

"Når en elektron er begejstret på den måde, det svarer til en bil, der bliver skubbet fra at køre 10 miles i timen til tusinder af miles i timen, "Monti forklarer." Den vil slippe af med den enorme energi og falde tilbage til sit oprindelige energiniveau. Denne proces er ekstremt kort, og når det sker, det afgiver en specifik signatur, som vi kan hente med vores instrumenter. "

Forskerne var i stand til at gøre dette på en måde, der gjorde det muligt for dem at skelne mellem, om de ophidsede elektroner opholdt sig inden for det samme lag af materialet, eller spredes i tilstødende lag hen over krystallen.

"Vi så, at elektroner spændte på denne måde spredt i det samme lag og gjorde det ekstremt hurtigt, i størrelsesordenen et par hundrede attosekunder, "Siger Monti.

I modsætning, elektroner, der krydsede til tilstødende lag, tog mere end 10 gange længere tid at vende tilbage til deres tilstand i jordenergi. Forskellen tillod forskerne at skelne mellem de to populationer.

"Jeg var meget begejstret for at finde den retningsmekanisme for ladningsfordeling, der forekommer i et lag, i modsætning til på tværs af lag, "siger Eads, papirets hovedforfatter. "Det var aldrig blevet observeret før."

Tættere på masseproduktion

Røntgen "uret", der bruges til at spore elektroner, er ikke en del af de påtænkte applikationer, men et middel til at studere adfærden hos elektroner inde i dem, Monti forklarer, et nødvendigt første skridt i at komme tættere på teknologi med de ønskede egenskaber, der kunne masseproduceres.

"Et eksempel på den usædvanlige adfærd, vi ser i disse materialer, er, at en elektron, der går til højre, ikke er det samme som en elektron, der går til venstre, "siger han." Det burde ikke ske - ifølge fysik i standardmaterialer, at gå til venstre eller højre er nøjagtig det samme. Imidlertid, for disse materialer er det ikke sandt. "

Denne retningsbestemmelse er et eksempel på, hvad der gør TMDs spændende for forskere, fordi den kan bruges til at kode oplysninger.

"At bevæge sig til højre kan kodes som 'en' og gå til venstre som 'nul, '"Siger Monti." Så hvis jeg kan generere elektroner, der pænt går til højre, Jeg har skrevet en masse af dem, og hvis jeg kan generere elektroner, der pænt går til venstre, Jeg har genereret en flok nuller. "

I stedet for at anvende elektrisk strøm, ingeniører kunne manipulere elektroner på denne måde ved hjælp af lys såsom en laser, optisk at skrive, læse og behandle oplysninger. Og måske en dag kan det endda blive muligt at optisk sammenfiltre information, rydder vejen til kvanteberegning.

"Hvert år, flere og flere opdagelser sker i disse materialer, "Eads siger." De eksploderer med hensyn til, hvilken slags elektroniske egenskaber du kan observere i dem. Der er et helt spektrum af måder, hvorpå de kan fungere, fra superledende, halvledende til isolering, og muligvis mere. "

Den her beskrevne forskning er blot en måde at undersøge det uventede, spændende egenskaber ved lagdelte TMD -krystaller, ifølge Monti.

"Hvis du lavede dette eksperiment i silicium, du ville ikke se noget af dette, "siger han." Silicium vil altid opføre sig som en tredimensionel krystal, uanset hvad du gør. Det handler om lagdeling. "