På jagt efter Weyl semimetaller

Forestil dig, hvor meget du kunne opnå, hvis kredsløbene i din bærbare computer og mobiltelefon fungerede 10 gange hurtigere, og dit batteri varede 10 gange længere, end de gør nu.

For at forstå morgendagens - og i dag - teknologien skal du gå tilbage til ligninger udviklet af fysikere i 1930'erne. En af disse fysikere var Hermann Weyl, der i 1937 teoretiserede eksistensen af ​​Weyl fermioner, masseløse partikler, der kunne bære elektrisk ladning ved høje hastigheder. Ingen har nogensinde observeret disse partikler isoleret, men Weyl fermioner er blevet opdaget i en særlig klasse materialer kaldet Weyl semimetaller. I 2015, et forskergruppe fra Princeton fandt ud af, at tantalarsenid er et Weyl -halvmetal, og siden har hold fra hele verden studeret andre materialer for at se, om de udviser de ejendomme, der forudsiges af Weyl.

Nu, et team af elektriske ingeniører ved University of Delaware har opdaget, at nye halvmetalliske materialer, legeringer af germanium og tin, har egenskaber som Weyl semimetaller. Dette er ikke blevet observeret før af nogen anden forskergruppe.

Holdet ledes af James Kolodzey, Charles Black Evans professor i el- og computerteknik, der studerer strømmen af ​​elektrisk strøm gennem materialer.

"Historisk set elektriske ingeniører har forsøgt at kategorisere materialer fra et elektronisk og optisk synspunkt, "Sagde Kolodzey. F.eks. metaller som kobber og aluminium leder elektricitet godt på grund af elektronernes bevægelse, de subatomære partikler, der bærer elektrisk ladning. "I metaller, elektroner er lidt løse og flyder let, "sagde Kolodzey. Derfor bruges kobber i ledninger til at bringe elektricitet ind i bygninger.

Halvmetaller leder elektricitet, også, bare ikke lige så effektivt som metaller gør. Imidlertid, strømmen kan bevæge sig hurtigere gennem halvmetaller end gennem halvledere - materialer som silicium, der almindeligvis bruges i computerchips, mobiltelefoner, og anden allestedsnærværende forbrugerelektronik.

"Elektronerne i et Weyl -halvmetal er meget hurtige, 10 gange hurtigere end i en konventionel halvleder, så vi ville forvente, at mulige Weyl -kredsløb ville have meget højere hastigheder, " han sagde.

Kolodzeys gruppe har vist, at de materialer, de studerer, molybdæn tellurid og germanium tinlegeringer, fungere som Weyl -halvmetaller. For eksempel, de er meget lydhøre over for lys, der vibrerer i et cirkulært mønster, en egenskab ved Weyl -halvmetaller, der kan være særlig nyttig i optiske og elektroniske applikationer, fra fjernmåling til medicin og mere.

"På University of Delaware, vi forsøger at bruge elektroteknik til at gøre ting ud af disse materialer, "sagde Kolodzey." Vi ønsker praktiske applikationer og enheder, fra transistorer til dioder til integrerede kredsløbskomponenter. I stedet for at bruge halvledere, vi vil lave dem med Weyl -halvmetaller. I modsætning til alle de kendte Weyl -halvmetaller, germanium-tinlegeringerne er kompatible med siliciumkredsløbsprocesser. "

Disse enheder kunne, i teorien, kører ved høje hastigheder, men med lave strømkrav. Selv ved kraftig brug, bærbare computere og mobiltelefoner ville ikke overophedes, og batterierne ville holde meget længere, end de gør nu.

Materialerne, der undersøges af Kolodzeys team, kan også bruges til at optimere solceller, som omdanner lysenergi til elektricitet, og også til at lave detektorer af infrarødt lys, til termisk billeddannelse.