Verdens tyndeste teknologi - kun to atomer tyk

Forskere fra Tel Aviv University har konstrueret verdens mindste teknologi, med en tykkelse på kun to atomer. Ifølge forskerne, den nye teknologi foreslår en måde at lagre elektrisk information på i den tyndeste enhed, videnskaben kender, i et af de mest stabile og inerte materialer i naturen. Den tilladte kvantemekaniske elektrontunnel gennem den atomare tynde film kan booste informationslæsningsprocessen langt ud over de nuværende teknologier.

Forskningen blev udført af forskere fra Raymond og Beverly Sackler School of Physics and Astronomy og Raymond og Beverly Sackler School of Chemistry. Gruppen omfatter Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, Dr. Wei Cao, Dr. Iftach Nevo, Prof. Eran Sela, Prof. Michael Urbakh, Prof. Oded Hod, og Dr. Moshe Ben Shalom. Værket er nu udgivet i Videnskab magasin.

"Vores forskning stammer fra nysgerrighed om atomers og elektroners adfærd i faste materialer, som har genereret mange af de teknologier, der understøtter vores moderne livsstil, " siger Dr. Shalom. "Vi (og mange andre videnskabsmænd) forsøger at forstå, forudsige, og endda kontrollere disse partiklers fascinerende egenskaber, når de kondenserer til en ordnet struktur, som vi kalder en krystal. I hjertet af computeren, for eksempel, ligger en lille krystallinsk enhed designet til at skifte mellem to tilstande, der indikerer forskellige svar - 'ja' eller 'nej, " 'op' eller 'ned' osv. Uden denne dikotomi – det er ikke muligt at indkode og behandle information. Den praktiske udfordring er at finde en mekanisme, der vil muliggøre omskiftning i en lille, hurtig, og billig enhed."

Nuværende avancerede enheder består af bittesmå krystaller, der kun indeholder omkring en million atomer (ca. hundrede atomer i højden, bredde, og tykkelse), så en million af disse enheder kan presses omkring en million gange ind i området af en mønt, med hver enhed, der skifter med en hastighed på omkring en million gange i sekundet.

Efter det teknologiske gennembrud, forskerne var i stand til, for første gang, at reducere tykkelsen af ​​de krystallinske anordninger til kun to atomer. Dr. Shalom understreger, at sådan en tynd struktur gør det muligt for erindringer baseret på elektronernes kvanteevne at hoppe hurtigt og effektivt gennem barrierer, der kun er flere atomer tykke. Dermed, det kan forbedre elektroniske enheder markant med hensyn til hastighed, massefylde, og energiforbrug.

I undersøgelsen, forskerne brugte et todimensionelt materiale:et atom-tykke lag af bor og nitrogen, arrangeret i en gentagen sekskantet struktur. I deres eksperiment, de var i stand til at bryde symmetrien af ​​denne krystal ved kunstigt at samle to sådanne lag. "I sin naturlige tredimensionelle tilstand, dette materiale består af et stort antal lag placeret oven på hinanden, med hvert lag roteret 180 grader i forhold til dets naboer (antiparallel konfiguration)" siger Dr. Shalom. "I laboratoriet, vi var i stand til kunstigt at stable lagene i en parallel konfiguration uden rotation, som hypotetisk placerer atomer af samme art i perfekt overlap på trods af den stærke frastødende kraft mellem dem (som følge af deres identiske ladninger). Faktisk, imidlertid, krystallen foretrækker at glide det ene lag lidt i forhold til det andet, så kun halvdelen af ​​hvert lags atomer er i perfekt overlap, og dem, der overlapper, er af modsatte ladninger - mens alle andre er placeret over eller under et tomt rum - midten af ​​sekskanten. I denne kunstige stablingskonfiguration er lagene ret forskellige fra hinanden. For eksempel, hvis i det øverste lag kun bor-atomerne overlapper hinanden, i det nederste lag er det omvendt."

Dr. Shalom fremhæver også teoriteamets arbejde, som udførte adskillige computersimuleringer "Sammen etablerede vi en dyb forståelse af, hvorfor systemets elektroner arrangerer sig selv, som vi havde målt i laboratoriet. Takket være denne grundlæggende forståelse, vi forventer også fascinerende svar i andre symmetribrudte lagdelte systemer, " han siger.

Maayan Wizner Stern, ph.d. studerende, der ledede undersøgelsen, forklarer, at "den symmetribrud, vi skabte i laboratoriet, som ikke findes i den naturlige krystal, tvinger den elektriske ladning til at reorganisere sig selv mellem lagene og generere en lille indre elektrisk polarisering vinkelret på lagplanet. Når vi påfører et eksternt elektrisk felt i den modsatte retning, glider systemet sideværts for at skifte polarisationsretningen. Den skiftede polarisering forbliver stabil, selv når det eksterne felt er lukket ned. Her ligner systemet tykke tredimensionelle ferroelektriske systemer, som er meget udbredt inden for teknologi i dag."

"Evnen til at fremtvinge et krystallinsk og elektronisk arrangement i et så tyndt system, med unikke polarisations- og inversionsegenskaber som følge af de svage Van der Waals-kræfter mellem lagene, er ikke begrænset til bor- og nitrogenkrystallen, " tilføjer Dr. Shalom. "Vi forventer den samme adfærd i mange lagdelte krystaller med de rigtige symmetriegenskaber. Konceptet med mellemlagsglidning som en original og effektiv måde at kontrollere avancerede elektroniske enheder på er meget lovende, og vi har kaldt den Slide-Tronics."

Stern konkluderer, at de "er begejstrede for at opdage, hvad der kan ske i andre stater, vi påtvinger naturen og forudsiger, at andre strukturer, der kobler yderligere frihedsgrader, er mulige. Vi håber, at miniaturisering og bladring gennem glidning vil forbedre nutidens elektroniske enheder, og desuden, tillade andre originale måder at kontrollere information på i fremtidige enheder. Ud over computerenheder, vi forventer, at denne teknologi vil bidrage til detektorer, energilagring og omdannelse, interaktion med lys, osv. Vores udfordring, som vi ser det, er at opdage flere krystaller med nye og glatte frihedsgrader."