Topologiske spørgsmål:Mod en ny form for transistor

Milliarder af små transistorer leverer processorkraften i moderne smartphones, styring af strømmen af ​​elektroner med hurtig tænd- og sluk-skift.

Men løbende fremskridt med at pakke flere transistorer i mindre enheder skubber mod de fysiske grænser for konventionelle materialer. Almindelige ineffektiviteter i transistormaterialer forårsager energitab, der resulterer i varmeopbygning og kortere batterilevetid, så forskere er på jagt efter alternative materialer, der gør det muligt for enheder at fungere mere effektivt ved lavere effekt.

Nu, et eksperiment udført ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har vist, for første gang, elektronisk skift i en eksotisk, ultratyndt materiale, der kan bære en ladning med næsten nul tab ved stuetemperatur. Forskere demonstrerede denne omskiftning, når de udsatte materialet for et elektrisk strøm med lav strøm.

Holdet, som blev ledet af forskere ved Monash University i Australien og omfattede forskere fra Berkeley Lab, voksede materialet fra bunden og studerede det med røntgenstråler ved Advanced Light Source (ALS), en facilitet ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Materialet, kendt som natriumbismuthid (Na3Bi), er et af to materialer, der vides at være et "topologisk Dirac -halvmetal, " hvilket betyder, at det har unikke elektroniske egenskaber, der kan indstilles til at opføre sig på forskellige måder - i nogle tilfælde mere som et konventionelt materiale og i andre tilfælde mere som et topologisk materiale. Dets topologiske egenskaber blev først bekræftet i tidligere eksperimenter på ALS.

Topologiske materialer betragtes som lovende kandidater til næste generations transistorer, og til andre elektronik- og computerapplikationer, på grund af deres potentiale til at reducere energitab og strømforbrug i enheder. Disse egenskaber kan eksistere ved stuetemperatur - en vigtig forskel fra superledere, der kræver ekstrem nedkøling - og kan bestå, selv når materialerne har strukturelle defekter og er udsat for stress.

Materialer med topologiske egenskaber er fokus for intens forskning af det globale videnskabelige samfund (se en relateret artikel), og i 2016 blev Nobelprisen i fysik uddelt for teorier relateret til topologiske egenskaber i materialer.

Letheden ved at skifte det studerede materiale ved ALS fra en elektrisk ledende tilstand til en isolerende, eller ikke-ledende tilstand, lover godt for sine fremtidige transistorapplikationer, sagde Sung-Kwan Mo, en personaleforsker ved ALS, der deltog i den seneste undersøgelse. Undersøgelsen er detaljeret i tidsskriftet 10. december Natur .

Et andet vigtigt aspekt af den seneste undersøgelse er, at teamet fra Monash University fandt en måde at dyrke det ekstremt tyndt på, ned til et enkelt lag arrangeret i et bikagemønster af natrium- og vismutatomer, og for at kontrollere tykkelsen af ​​hvert lag, de opretter.

"Hvis du vil lave en enhed, du vil gøre det tyndt, " sagde Mo. "Denne undersøgelse beviser, at det kan gøres for Na3Bi, og dets elektriske egenskaber kan let styres med lav spænding. Vi er et skridt tættere på en topologisk transistor. "

Michael Fuhrer, en fysiker ved Monash University, der deltog i undersøgelsen, sagde, "Denne opdagelse er et skridt i retning af topologiske transistorer, der kunne transformere beregningsverdenen."

Han tilføjede, "Topologisk elektronik med meget lav energi er et potentielt svar på den stigende udfordring ved spild af energi i moderne computing. Informations- og kommunikationsteknologi forbruger allerede 8 procent af global elektricitet, og det fordobles hvert årti. "

I den seneste undersøgelse, forskere voksede materialeprøverne, måler flere millimeter på en side, på en siliciumwafer under ultrahøjt vakuum ved ALS Beamline 10.0.1 ved hjælp af en proces kendt som molekylær stråleepitaxi. Strålelinjen giver forskere mulighed for at dyrke prøver og derefter udføre eksperimenter under de samme vakuumforhold for at forhindre kontaminering.

Denne strålelinje er specialiseret til en røntgenteknik kendt som vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES, som giver information om, hvordan elektroner rejser i materialer. I typiske topologiske materialer, elektroner flyder rundt om materialets kanter, mens resten af ​​materialet fungerer som en isolator, der forhindrer denne strømning.

Nogle røntgenforsøg på lignende prøver blev også udført på Australian Synchrotron for at demonstrere, at den ultratynde Na3Bi var fritstående og ikke interagerede kemisk med siliciumpladen, den blev dyrket på. Forskere havde også studeret prøver med et scanningstunnelmikroskop på Monash University, der hjalp med at bekræfte andre målinger.

"I disse kantstier, elektroner kan kun bevæge sig i en retning, "sagde Mark Edmonds, en fysiker ved Monash University, der ledede undersøgelsen. "Og det betyder, at der ikke kan være nogen "rygspredning", ' hvilket er det, der forårsager elektrisk modstand i konventionelle elektriske ledere."

I dette tilfælde, forskere fandt ud af, at det ultratynde materiale blev fuldt ledende, når det blev udsat for det elektriske felt, og kunne også skiftes til at blive en isolator på tværs af hele materialet, når det udsættes for et lidt højere elektrisk felt.

Mo sagde, at den elektrisk drevne omskiftning er et vigtigt skridt til at realisere applikationer til materialer - nogle andre forskningsindsatser har forfulgt mekanismer som kemisk doping eller mekanisk belastning, der er mere udfordrende at kontrollere og at udføre skifteoperationen.

Forskerholdet forfølger andre prøver, der kan tændes og slukkes på lignende måde for at guide udviklingen af ​​en ny generation af ultralav-energi elektronik, sagde Edmonds.