Ny krystalproduktionsmetode kunne forbedre kvantecomputere og elektronik

I en undersøgelse offentliggjort i Nature Materials , beskriver forskere fra University of California, Irvine en ny metode til at lave meget tynde krystaller af grundstoffet bismuth - en proces, der kan hjælpe fremstillingen af ​​billig fleksibel elektronik til en hverdagsrealitet.

"Bismuth har fascineret videnskabsmænd i over hundrede år på grund af dets lave smeltepunkt og unikke elektroniske egenskaber," sagde Javier Sanchez-Yamagishi, assisterende professor i fysik og astronomi ved UC Irvine og medforfatter af undersøgelsen. "Vi udviklede en ny metode til at lave meget tynde krystaller af materialer såsom bismuth, og i processen afsløre skjult elektronisk adfærd på metallets overflader."

Vismutpladerne, som holdet lavede, er kun et par nanometer tykke. Sanchez-Yamagishi forklarede, hvordan teoretikere har forudsagt, at bismuth indeholder særlige elektroniske tilstande, der gør det muligt for det at blive magnetisk, når elektricitet strømmer gennem det - noget væsentligt for kvanteelektroniske enheder baseret på elektronernes magnetiske spin.

En af de skjulte adfærd, som holdet observerer, er såkaldte kvanteoscillationer, der stammer fra overfladerne af krystallerne.

"Kvanteoscillationer opstår fra bevægelsen af ​​en elektron i et magnetfelt," sagde Laisi Chen, en Ph.D. kandidat i fysik og astronomi ved UC Irvine og en af ​​hovedforfatterne af papiret. "Hvis elektronen kan gennemføre en fuld bane omkring et magnetfelt, kan den udvise effekter, der er vigtige for elektronikkens ydeevne. Kvantesvingninger blev først opdaget i bismuth i 1930'erne, men er aldrig set i nanometertynde bismuthkrystaller. "

Amy Wu, en ph.d. kandidat i fysik i Sanchez-Yamagishis laboratorium, sammenlignede holdets nye metode med en tortillapresse. For at lave de ultratynde plader af vismut, forklarede Wu, var de nødt til at presse bismuth mellem to varmeplader. For at gøre arkene så flade, som de er, skulle de bruge formplader, der er perfekt glatte på atomniveau, hvilket betyder, at der ikke er mikroskopiske fordybninger eller andre ufuldkommenheder på overfladen.

"Vi lavede derefter en slags quesadilla eller panini, hvor vismut er det osteagtige fyld, og tortillas er de atomare flade overflader," sagde Wu.

"Der var dette nervøse øjeblik, hvor vi havde brugt over et år på at lave disse smukke tynde krystaller, men vi havde ingen anelse om, hvorvidt dets elektriske egenskaber ville være noget ekstraordinært," sagde Sanchez-Yamagishi. "Men da vi kølede enheden ned i vores laboratorium, blev vi forbløffet over at observere kvantesvingninger, som ikke tidligere er set i tynde vismutfilm."

"Kompression er en meget almindelig fremstillingsteknik, der bruges til at lave almindelige husholdningsmaterialer såsom aluminiumsfolie, men er ikke almindeligt brugt til at lave elektroniske materialer som dem i dine computere," tilføjede Sanchez-Yamagishi. "Vi tror på, at vores metode vil generalisere til andre materialer, såsom tin, selen, tellur og relaterede legeringer med lave smeltepunkter, og det kunne være interessant at udforske for fremtidige fleksible elektroniske kredsløb."

Dernæst ønsker teamet at udforske andre måder, hvorpå kompressions- og sprøjtestøbningsmetoder kan bruges til at lave de næste computerchips til telefoner eller tablets.

"Vores nye teammedlemmer bringer spændende ideer til dette projekt, og vi arbejder på nye teknikker for at få yderligere kontrol over formen og tykkelsen af ​​de dyrkede vismutkrystaller," sagde Chen. "Dette vil forenkle, hvordan vi fremstiller enheder, og tage det et skridt nærmere for masseproduktion."

Forskerholdet omfattede samarbejdspartnere fra UC Irvine, Los Alamos National Laboratory og National Institute for Materials Science i Japan.

Flere oplysninger: Laisi Chen et al., Enestående elektronisk transport og kvanteoscillationer i tynde vismutkrystaller, der dyrkes inde i van der Waals-materialer, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01894-0

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af University of California, Irvine