Atomisk tynde magneter til næste generation af spin- og kvanteelektronik

Som vores smartphones, bærbare computere, og computere bliver mindre og hurtigere, det samme gør transistorerne inde i dem, der styrer strømmen af ​​elektricitet og lagrer information. Men traditionelle transistorer kan kun krympe så meget. Nu, forskere ved Stevens Institute of Technology har udviklet en ny atomisk tynd magnetisk halvleder, der vil tillade udviklingen af ​​nye transistorer, der fungerer på en helt anden måde; de kan ikke kun udnytte en elektrons ladning, men også kraften i dens spin, giver en alternativ vej til at skabe stadig mindre og hurtigere elektronik.

I stedet for at stole på at lave mindre og mindre elektriske komponenter, den nye opdagelse, rapporteret i april 2020-udgaven af Naturkommunikation , giver potentielt en kritisk platform til at fremme feltet af spintronics (spin + elektronik), en fundamentalt ny måde at betjene elektronik på og et tiltrængt alternativ til fortsat miniaturisering af standard elektroniske enheder. Ud over at fjerne miniaturiseringsbarrieren, den nye atomisk tynde magnet kan også muliggøre hurtigere behandlingshastighed, mindre energiforbrug og øget lagerkapacitet.

"En todimensionel ferromagnetisk halvleder er et materiale, hvor ferromagnetisme og halvledende egenskaber eksisterer side om side, og da vores materiale fungerer ved stuetemperatur, det giver os mulighed for let at integrere det med den veletablerede halvlederteknologi, " sagde EH Yang, en professor i maskinteknik ved Stevens Institute of Technology, der ledede dette projekt.

"Den magnetiske feltstyrke i dette materiale er 0,5 mT; mens en sådan svag magnetisk feltstyrke ikke kan tillade os at tage en papirclips op, den er stor nok til at ændre elektronernes spin, som kan bruges til kvantebitapplikationer, sagde Stefan Strauf, professor i fysik ved Stevens.

Da computere først blev bygget, de fyldte et helt rum, men nu kan de passe i din baglomme. Grunden til dette er Moores lov, hvilket tyder på, at hvert andet år, antallet af transistorer, der passer på en computerchip, fordobles, effektivt at fordoble en gadgets hastighed og kapacitet. Men transistorer kan kun blive så små, før de elektriske signaler, at de formodes at styre, ikke længere adlyder deres kommandoer.

Mens de fleste prognosemænd forventer, at Moores lov vil ophøre i 2025, alternative tilgange, som ikke er afhængige af fysisk skalering, er blevet undersøgt. Manipulering af elektronernes spin, i stedet for udelukkende at stole på deres ansvar, kan give en løsning i fremtiden.

At bygge en ny magnetisk halvleder ved hjælp af todimensionelle materialer - dvs. to-atomer tykt - vil tillade udviklingen af ​​en transistor til at styre elektricitet med kontrol af en elektrons spin, enten op eller ned, mens hele enheden forbliver let, fleksibel og gennemsigtig.

Ved at bruge en metode kaldet in situ substitutionsdoping, Yang og hans team har med succes syntetiseret en magnetisk halvleder, hvorved en molybdændisulfidkrystal er substitueret dopet med isolerede jernatomer. Under denne proces, jernatomerne sparker nogle af molybdænatomerne af og indtager deres plads, på det nøjagtige sted, skabe et gennemsigtigt og fleksibelt magnetisk materiale – igen, kun to-atomer tyk. Materialet viser sig at forblive magnetiseret ved stuetemperatur, og da det er en halvleder, det kan direkte integreres i den eksisterende arkitektur af elektroniske enheder i fremtiden.

Yang og hans team hos Stevens arbejdede med flere institutioner for at afbilde materialet - atom for atom - for at bevise, at jernatomerne tog pladsen for nogle af molybdænatomerne. Disse institutioner omfattede University of Rochester, Rensselaer Polytekniske Institut, Brookhaven National Laboratory, og Columbia University.

"At gøre noget stort inden for videnskab, du skal få andre til at samarbejde med dig, " sagde Shichen Fu, en ph.d. studerende i maskinteknik hos Stevens. "Denne gang, vi bragte alle de rigtige mennesker sammen – laboratorier med forskellige styrker og forskellige perspektiver – for at få dette til at ske."