Nye 2-D kvantematerialer til nanoelektronik

Forskere ved MIT siger, at de har udført en teoretisk analyse, der viser, at en familie af todimensionelle materialer udviser eksotiske kvanteegenskaber, der kan muliggøre en ny type elektronik i nanoskala.

Disse materialer forventes at vise et fænomen kaldet quantum spin Hall (QSH) -effekten, og tilhører en klasse af materialer kendt som overgangsmetal dichalcogenider, med lag nogle få atomer tykke. Resultaterne er detaljeret i et papir, der blev vist i denne uge i journalen Videnskab , medforfatter af MIT postdocs Xiaofeng Qian og Junwei Liu; assisterende professor i fysik Liang Fu; og Ju Li, en professor i nuklear videnskab og teknik og materialevidenskab og teknik.

QSH-materialer har den usædvanlige egenskab at være elektriske isolatorer i hovedparten af ​​materialet, alligevel meget ledende på deres kanter. Dette kan potentielt gøre dem til et passende materiale til nye former for kvanteelektroniske enheder, mener mange forskere.

Men kun to materialer med QSH -egenskaber er blevet syntetiseret, og potentielle anvendelser af disse materialer er blevet hæmmet af to alvorlige ulemper:Deres båndgab, en egenskab, der er afgørende for fremstilling af transistorer og andre elektroniske enheder, er for lille, giver et lavt signal-til-støj-forhold; og de mangler evnen til at tænde og slukke hurtigt. Nu siger MIT-forskerne, at de har fundet måder at potentielt omgå begge forhindringer ved hjælp af 2-D-materialer, der er blevet undersøgt til andre formål.

Eksisterende QSH-materialer virker kun ved meget lave temperaturer og under vanskelige forhold, Fu siger, tilføjer, at "de materialer, vi forudsagde at udvise denne effekt, er bredt tilgængelige. ... Virkningerne kan observeres ved relativt høje temperaturer."

"Det, der er opdaget her, er et ægte 2-D materiale, der har denne [QSH] karakteristik, " siger Li. "Kanterne er som perfekte kvantetråde."

MIT-forskerne siger, at dette kan føre til nye former for lav-effekt kvanteelektronik, såvel som spintronics-enheder - en slags elektronik, hvor elektronernes spin, snarere end deres elektriske ladning, bruges til at overføre oplysninger.

grafen, en todimensionel, en-atom-tyk form af kulstof med usædvanlige elektriske og mekaniske egenskaber, har været genstand for megen forskning, hvilket har ført til yderligere forskning i lignende 2-D materialer. Men indtil nu, få forskere har undersøgt disse materialer for mulige QSH -effekter, siger MIT-holdet. "Todimensionelle materialer er et meget aktivt felt for mange potentielle anvendelser, "Qian siger - og dette teams teoretiske arbejde viser nu, at mindst seks sådanne materialer deler disse QSH -egenskaber.

MIT-forskerne studerede materialer kendt som overgangsmetal dichalcogenider, en familie af forbindelser fremstillet af overgangsmetallerne molybdæn eller wolfram og ikke-metallerne tellur, selen, eller svovl. Disse forbindelser danner naturligt tynde plader, bare atomer tykke, som spontant kan udvikle et dimeriseringsmønster i deres krystalstruktur. Det er denne gitterdimerisering, der producerer de effekter, som MIT-teamet har studeret.

Mens det nye arbejde er teoretisk, holdet producerede et design til en ny type transistor baseret på de beregnede effekter. Kaldes en topologisk felteffekttransistor, eller TFET, designet er baseret på et enkelt lag af 2-D-materialet, der er klemt ind af to lag 2-D bornitrid. Forskerne siger, at sådanne enheder kunne produceres med meget høj tæthed på en chip og have meget lave tab, muliggør højeffektiv drift.

Ved at påføre et elektrisk felt på materialet, QSH-tilstanden kan tændes og slukkes, muliggøre et væld af elektroniske og spintroniske enheder, de siger.

Ud over, dette er et af de mest lovende kendte materialer til mulig brug i kvantecomputere, siger forskerne. Quantum computing er normalt modtagelig for forstyrrelser - teknisk set, et tab af sammenhæng - fra selv meget små forstyrrelser. Men, Li siger, topologiske kvantecomputere "kan ikke miste sammenhæng fra små forstyrrelser. Det er en stor fordel for kvanteinformationsbehandling."

Fordi så meget forskning allerede er i gang om disse 2-D materialer til andre formål, metoder til at gøre dem effektivt kan udvikles af andre grupper og kan derefter anvendes til at skabe nye QSH elektroniske enheder, siger Qian.

Nai Phuan Ong, en professor i fysik ved Princeton University, der ikke var forbundet med dette arbejde, siger, "Selvom nogle af ideerne er blevet nævnt før, det nuværende system virker særligt lovende. Dette spændende resultat vil bygge bro mellem to meget aktive underområder inden for kondenseret fysik, topologiske isolatorer og dicalcogenider."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.