En zigzag-plan for topologisk elektronik

En samarbejdsundersøgelse ledet af University of Wollongong bekræfter koblingsmekanisme for en ny, foreslået generation af topologisk elektronik med ultralav energi.

Baseret på nye kvantetopologiske materialer ville sådanne enheder "skifte" en topologisk isolator fra ikke-ledende (konventionel elektrisk isolator) til en ledende (topologisk isolator) tilstand, hvorved elektrisk strøm kunne flyde langs dens kanttilstande uden spildt spredning af energi.

Sådan topologisk elektronik kan radikalt reducere energiforbruget i computere og elektronik, som anslås at forbruge 8 % af den globale elektricitet og fordobles hvert årti.

Ledet af Dr. Muhammad Nadeem ved University of Wollongong (UOW), bragte undersøgelsen også ekspertise fra FLEET Center-samarbejdspartnere ved UNSW og Monash University.

Løsning af skifteudfordringen

Todimensionelle topologiske isolatorer er lovende materialer til topologiske kvanteelektroniske enheder, hvor kanttilstandstransport kan styres af et gate-induceret elektrisk felt.

En stor udfordring med sådan elektrisk felt-induceret topologisk omskiftning har imidlertid været kravet om et urealistisk stort elektrisk felt for at lukke det topologiske båndgab.

Det tværgående og tværfaglige FLEET-forskningshold undersøgte breddeafhængigheden af ​​elektroniske egenskaber for at bekræfte, at en klasse materiale kendt som zigzag-Xene nanobånd ville opfylde de nødvendige betingelser for drift, nemlig:

1. Spinfiltrerede chirale kanttilstande i zigzag-Xene nanobånd forbliver mellemrum og beskyttet mod spredning bagud
2. Den tærskelspænding, der kræves for at skifte mellem spaltefri og spaltede kanttilstande, reduceres, efterhånden som materialets bredde falder, uden nogen grundlæggende nedre grænse
3. Topologisk skift mellem kanttilstande kan opnås, uden at det store (dvs. indvendige) båndgab lukkes og genåbnes
4. Kvantebundne zigzag-Xene nanobånd kan anspore til fremskridt inden for topologiske computerteknologier med ultralav energi.

Zigzag Xenes kunne være nøglen

Grafen var det første bekræftede atomisk tynde materiale, et 2D-ark af kulstofatomer (gruppe IV) arrangeret i et bikagegitter. Nu bliver topologiske og elektroniske egenskaber undersøgt for lignende bikageplader af gruppe-IV og gruppe-V materialer, samlet kaldet 2D-Xenes.

2D-Xener er topologiske isolatorer - det vil sige elektrisk isolerende i deres indre, men ledende langs deres kanter, hvor elektroner transmitteres uden at sprede nogen energi (svarende til en superleder). Når et 2D-Xene-ark skæres til et smalt bånd, der afsluttes på "zigzag"-kanter, kendt som zigzag-Xene-nanoribbons, bevarer det de ledende kanttilstande, der er karakteristiske for en topologisk isolator, som menes at bevare deres evne til at føre strøm uden dissipation.

Det er for nylig blevet vist, at zigzag-Xene-nanoribbons har potentiale til at lave en topologisk transistor, der kan reducere switching-energien med en faktor på fire.

Den nye forskning ledet af UOW fandt følgende:

Opretholdelse af kanttilstande

Målinger indikerede, at spin-filtrerede chirale kanttilstande i zigzag-Xene nanobånd forbliver spredningsfri og beskyttet mod den bagudgående spredning, der forårsager modstand, selv med endelige mellemkanter overlapning i ultrasmalle bånd (hvilket betyder, at et 2D kvantespin Hall-materiale gennemgår en fase overgang til et 1D topologisk metal.) Dette er drevet af kanttilstande, der flettes sammen med iboende båndtopologi-drevne energi-nul-tilstande.

"Kvantebundne zigzag-Xene-nanorribbons er en særlig klasse af topologiske isoleringsmaterialer, hvor energigabet af bulkprøven stiger med et fald i bredden, mens kanttilstandsledningen forbliver robust mod spredning, selvom bredden reduceres til en kvasi- en dimension," siger FLEET-forsker og samarbejdspartner på det nye studie, lektor Dmitrie Culcer (UNSW). "Denne egenskab ved indesluttede zigzag-Xene-nanobånd står i skarp kontrast til andre 2D topologiske isoleringsmaterialer, hvor indeslutningseffekter også inducerer et energigab i kanttilstandene."

Lav tærskelspænding

På grund af bredde- og momentumafhængig afstemning af gate-induceret inter-edge kobling, reduceres den tærskelspænding, der kræves for at skifte mellem gapless og gapped kanttilstande, efterhånden som materialets bredde falder, uden nogen grundlæggende nedre grænse.

"Et ultrasmalt zigzag-Xene-nanobånd kan 'skifte' mellem et kvasi-endimensionelt topologisk metal med ledende spalteløse kanttilstande og en almindelig isolator med spaltede kanttilstande med en lille justering af en spændingsknop," siger hovedforfatter Dr. Muhammad Nadeem (UOW).

"Den ønskede justering af en spændingsknap falder med fald i bredden af ​​zigzag-Xene-nanoribbons, og lavere driftsspænding betyder, at enheden kan bruge mindre energi. Reduktionen i spændingsknapjustering kommer på grund af en relativistisk kvanteeffekt kaldet spin-orbit kobling og er stærkt kontrasterende fra uberørte zigzag-Xene-nanoribbons, som er almindelige isolatorer, og hvor den ønskede spændingsknapjustering stiger med faldet i bredden."

Topologisk skift uden bulk båndgab lukning

Når bredden af ​​zigzag-Xene nanobånd er mindre end en kritisk grænse, kan topologisk skift mellem kanttilstande opnås uden bulk båndgab lukning og genåbning. Dette skyldes primært kvanteindeslutningseffekten på bulkbåndspektret, som øger det ikke-trivielle bulkbåndgab med fald i bredden.

"Denne adfærd er ny og adskiller sig fra 2D topologiske isolatorer, hvor båndgab lukning og genåbning altid er påkrævet for at ændre den topologiske tilstand" siger professor Michael Fuhrer (Monash). "Brede zigzag-Xene-nanorribbons fungerer mere som 2D-huset, hvor gate-elektrisk felt skifter kanttilstandskonduktans, mens de samtidig lukker og genåbner bulk-båndgab."

"I nærvær af spin-orbit-kobling vælter [en] topologisk koblingsmekanisme i zigzag-Xene-nanorribbons med store mellemrum den generelle visdom om at bruge materialer med smalt mellemrum og brede kanaler til at reducere tærskelspænding i en standard felteffekttransistoranalyse ," siger professor Xiaolin Wang (UOW).

"Derudover har [en] topologisk kvantefelteffekttransistor, der bruger zigzag-Xene-nanoribbons som et kanalmateriale, adskillige fordele ved ingeniørmæssige forviklinger involveret i design og fremstilling," siger professor Alex Hamilton (UNSW).

I modsætning til MOSFET-teknologi, hvor størrelsesafhængighed af tærskelspænding er sammenfiltret med isolationsteknikker, er reduktionen af ​​tærskelspænding i en topologisk kvantefelteffekttransistor en iboende egenskab ved zigzag-Xene-nanobånd forbundet med topologiske og kvantemekaniske funktionaliteter.

Sammen med vidt forskellige lednings- og omskiftningsmekanismer adskiller de teknologiske aspekter, der kræves til fremstilling af en topologisk kvantefelteffekttransistor med zigzag-Xene-nanoribbons, også radikalt fra MOSFET'ers:Der er ingen grundlæggende krav til specialiserede teknologiske/isolationsteknikker for en lav- spænding TQFET med en energieffektiv koblingsmekanisme.

Med bevaret ON-state topologisk robusthed og minimal tærskelspænding kan kanalbredden reduceres til en quasi-én-dimension. Dette muliggør optimeret geometri for en topologisk kvantefelteffekttransistor med forbedret signal-til-støj-forhold via flere kanttilstandskanaler. + Udforsk yderligere

Skiftende ledningstilstand – et skridt mod topologiske transistorer