Mode verandert in de avant-garde wereld van materialen van de volgende generatie computercomponenten. Traditionele halfgeleiders zoals silicium brengen hun laatste nieuwe lijnen uit. Exotische materialen die topologische isolatoren (TI's) worden genoemd, komen eraan. En als het op koelen aankomt, stikstof is het nieuwe helium.

Dit was duidelijk te zien in een nieuw experiment in het National Institute of Standards and Technology (NIST) dat werd uitgevoerd door een multi-institutionele samenwerking, waaronder UCLA, NIST en het Beijing Institute of Technology in China.

Topologische isolatoren zijn een nieuwe klasse materialen die minder dan tien jaar geleden werden ontdekt na eerder theoretisch werk, erkend in de Nobelprijs voor natuurkunde 2016, voorspeld dat ze zouden kunnen bestaan. De materialen zijn elektrische isolatoren aan de binnenkant en geleiden elektriciteit aan de buitenkant. Ze zijn opwindend voor computerontwerpers omdat er elektrische stroom langs gaat zonder warmte af te geven, wat betekent dat componenten die ervan zijn gemaakt, de hoge warmteproductie die moderne computers plaagt, kunnen verminderen. Ze kunnen op een dag ook worden gebruikt in kwantumcomputers, die minder bekende eigenschappen van elektronen zou benutten, zoals hun draai, om op geheel nieuwe manieren berekeningen te maken. Wanneer TI's elektriciteit geleiden, alle elektronen die in één richting stromen hebben dezelfde spin, een nuttige eigenschap die ontwerpers van kwantumcomputers kunnen benutten.

De speciale eigenschappen die TI's zo opwindend maken voor technologen worden meestal alleen waargenomen bij zeer lage temperaturen, meestal vereist vloeibaar helium om de materialen te koelen. Deze vraag naar extreme kou zorgt er niet alleen voor dat TI's waarschijnlijk niet zullen worden gebruikt in de elektronica totdat dit probleem is opgelost, maar het maakt het ook moeilijk om ze in de eerste plaats te bestuderen.

Verder, het magnetisch maken van TI's is de sleutel tot het ontwikkelen van spannende nieuwe computerapparatuur met hen. Maar zelfs om ze zover te krijgen dat ze kunnen worden gemagnetiseerd, is een moeizaam proces. Twee manieren om dit te doen zijn door te infuseren, of "verdovend, " de TI met een kleine hoeveelheid magnetisch metaal en/of om dunne lagen TI te stapelen tussen afwisselende lagen van een magnetisch materiaal dat bekend staat als een ferromagneet. Echter, het verhogen van de doping om de temperatuur te verhogen verstoort de TI-eigenschappen, terwijl het krachtigere magnetisme van de alternatieve lagen de TI's kan overweldigen, waardoor ze moeilijk kunnen studeren.

Om deze problemen te omzeilen, UCLA-wetenschappers probeerden een andere stof voor de afwisselende lagen:een antiferromagneet. In tegenstelling tot de permanente magneten op uw koelkast, waarvan de atomen allemaal noordpolen hebben die in dezelfde richting wijzen, de meerlagige antiferromagnetische (AFM) materialen hadden noordpolen die in één laag in één richting wijzen, en omgekeerd in de volgende laag. Omdat het magnetisme van deze lagen elkaar opheft, de algehele AFM heeft geen netto magnetisme, maar een enkele laag van zijn moleculen wel. Het was de buitenste laag van de AFM die het UCLA-team hoopte te exploiteren.

Gelukkig, ze ontdekten dat de invloed van de buitenste laag de TI magnetiseert, maar zonder de overweldigende kracht die de eerder gebruikte magnetische materialen met zich mee zouden brengen. En ze ontdekten dat de nieuwe aanpak ervoor zorgde dat de TI's magnetisch werden en alle aantrekkelijke kenmerken van de TI demonstreerden bij temperaturen ver boven 77 Kelvin - nog steeds te koud voor gebruik als componenten voor consumentenelektronica. maar warm genoeg dat wetenschappers stikstof kunnen gebruiken om ze in plaats daarvan af te koelen.

"Het maakt ze veel gemakkelijker om te studeren, " zegt Alex Grutter van het NIST Center for Neutron Research, die samenwerkte met de UCLA-wetenschappers om de interacties tussen de lagen van het algehele materiaal en de spinstructuur te verduidelijken.

"We kunnen niet alleen de eigenschappen van TI's gemakkelijker verkennen, maar we zijn opgewonden omdat voor een natuurkundige, het vinden van een manier om de bedrijfstemperatuur te verhogen, suggereert dit dramatisch dat er mogelijk andere toegankelijke manieren zijn om het weer te verhogen. Plotseling, kamertemperatuur TI's lijken niet zo ver buiten bereik."