Ingenieurs van Rice University en Texas A&M University hebben een 2D-materiaal gevonden dat computers sneller en energiezuiniger kan maken.

Hun materiaal is een afgeleide van perovskiet - een kristal met een onderscheidende structuur - dat het verrassende vermogen heeft om het fenomeen valleytronics mogelijk te maken dat wordt aangeprezen als een mogelijk platform voor informatieverwerking en -opslag.

Het laboratorium van materiaalwetenschapper Jun Lou van Rice's Brown School of Engineering synthetiseerde een gelaagde verbinding van cesium, bismut en jodium dat bedreven is in het opslaan van de daltoestanden van elektronen, maar alleen in de oneven lagen van de structuur.

Deze bits kunnen worden ingesteld met gepolariseerd licht, en de even lagen lijken de oneven te beschermen tegen het soort veldinterferentie dat andere perovskieten bederft, volgens de onderzoekers.

Beste van alles, het materiaal lijkt schaalbaar.

"Dit is geen nieuw materiaal, maar we hebben een manier bedacht om het te maken zonder de oplossing te verwerken of het uit bulk te exfoliëren, " zei Lou. "Wat nieuw is, is dat we het (via chemische dampafzetting) in een paar lagen kunnen produceren, en helemaal naar beneden tot een monolaag. Dat stelde ons in staat om de niet-lineaire optische eigenschappen ervan te onderzoeken."

De ontdekking is gedetailleerd in Geavanceerde materialen .

Valleytronics is een neef van spintronics, waarin geheugenbits worden gedefinieerd door de kwantumspintoestand van een elektron. In valleitronica, elektronen hebben vrijheidsgraden in de meerdere impulstoestanden - of valleien - die ze innemen. Deze toestanden kunnen worden gelezen als bits.

"In een transistor als je daar een elektron plaatst, het vertegenwoordigt een staat, en als je het eruit haalt, die een andere staat vertegenwoordigt, " zei co-hoofdonderzoeker Hanyu Zhu van Rice. "In valleytronics, de elektronen zijn altijd aanwezig, en zijn in een van twee verschillende kwantumgolffuncties met tegengestelde impulsen. Deze twee golffuncties werken samen met verschillende lichtpolarisaties, zodat de momentumtoestand optisch kan worden opgelost."

Een kijkje in de anorganische, loodvrij materiaal door een elektronenmicroscoop liet zien dat moleculen in de oneven laag asymmetrisch zijn. "Dat gebrek aan symmetrie ontbreekt in de even lagen - zo maken we onderscheid tussen hen - en het geeft aanleiding tot de eigenschappen die we zien, ' zei Lou. 'Dat is nu eenmaal de aard van deze kristalstructuur.'

Het laboratorium testte het materiaal met maximaal 11 lagen en ontdekte dat een gebrek aan transparantie geen invloed lijkt te hebben op hoe goed licht een reactie veroorzaakte. "Zelfs een dikker materiaal gedraagt ​​zich alsof het nog steeds een enkele laag is, ' zei Lou. 'Dat is best belangrijk.'

"Dikkere 2-D overgangsmetaal dichalcogeniden verliezen unieke eigenschappen zoals valleytronics, " zei hij. "Al het gedrag is verdwenen. Dat is niet het geval voor dit materiaal."

Lou zei dat berekeningen van co-hoofdonderzoeker Xiaofeng Qian van de Texas A&M University het nodige theoretische bewijs leverden.

"De polarisatie van de vallei die wordt waargenomen in zowel dunne als dikke lagen is grotendeels te wijten aan de zwakke elektronische koppeling tussen de lagen, een uniek kenmerk van dit perovskietderivaat in vergelijking met andere 2D-materialen wanneer ze op elkaar worden gestapeld, " zei Qian. "Het leidt ook tot aanhoudende niet-lineaire optische reacties in dikkere monsters."

Het materiaal lijkt ook minder gevoelig voor aantasting door het milieu, een veelvoorkomend probleem voor hybride perovskieten ontwikkeld voor zonne-energie. "Dit materiaal geeft je geen erg hoge conversie-efficiëntie, maar beschouw het als een allround atleet op de Olympische Spelen, " zei hoofdauteur en Rice postdoctoraal fellow Jia Liang. "Het is misschien niet de beste in elke categorie, maar als je de verschillende aspecten ervan samen bekijkt, het zal opvallen, " hij zei.

De onderzoekers suggereerden dat de toch al sterke interactie tussen licht en materie die ze waarnamen, zou kunnen worden verbeterd door de bandafstand van het materiaal verder te ontwikkelen.

"Ik denk dat het een doorbraak is voor het gebruik van dit soort materiaal in informatieverwerking, " zei Lou. "We hopen echt dat dit het beginpunt is."