Het einde van het siliciumtijdperk is begonnen. Naarmate computerchips de fysieke limieten van miniaturisatie naderen en energieverslindende processors de energiekosten opdrijven, wetenschappers zijn op zoek naar een nieuwe oogst van exotische materialen die een nieuwe generatie computerapparaten zouden kunnen bevorderen die beloven de prestaties naar nieuwe hoogten te tillen en tegelijkertijd het energieverbruik te verminderen.

In tegenstelling tot de huidige op silicium gebaseerde elektronica, die het grootste deel van de energie die ze verbruiken afgeven als restwarmte, de toekomst draait helemaal om low-power computing. Bekend als spintronica, deze technologie vertrouwt op een kwantumfysische eigenschap van elektronen - up of down spin - om informatie te verwerken en op te slaan, in plaats van ze met elektriciteit te verplaatsen zoals conventionele computers doen.

Op de zoektocht om spintronische apparaten te realiseren, wetenschappers van de Universiteit van Arizona bestuderen een exotische oogst van materialen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden, of TMD's. TMD's hebben opwindende eigenschappen die zich lenen voor nieuwe manieren om informatie te verwerken en op te slaan en zouden de basis kunnen vormen voor toekomstige transistors en fotovoltaïsche energie - en mogelijk zelfs een weg bieden naar kwantumcomputing.

Bijvoorbeeld, huidige op silicium gebaseerde zonnecellen zetten realistisch gezien slechts ongeveer 25 procent van het zonlicht om in elektriciteit, dus efficiëntie is een probleem, zegt Calley Eads, een vijfdejaars promovendus bij de afdeling Scheikunde en Biochemie van de UA die enkele eigenschappen van deze nieuwe materialen bestudeert. "Er zou daar een enorme verbetering kunnen zijn om energie te oogsten, en deze materialen zouden dit mogelijk kunnen doen, " ze zegt.

Er is een vangst, echter:de meeste TMD's tonen hun magie alleen in de vorm van vellen die erg groot zijn, maar slechts één tot drie atomen dun. Dergelijke atomaire lagen zijn uitdagend genoeg om op laboratoriumschaal te vervaardigen, laat staan ​​in industriële massaproductie.

Er worden veel inspanningen geleverd om atomair dunne materialen te ontwerpen voor kwantumcommunicatie, laagvermogenelektronica en zonnecellen, volgens Oliver Monti, een professor in de afdeling en de adviseur van Eads. Bestudering van een TMD bestaande uit afwisselende lagen tin en zwavel, zijn onderzoeksteam ontdekte onlangs een mogelijke kortere weg, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"We laten zien dat voor sommige van deze eigenschappen, je hoeft niet naar de atomair dunne platen te gaan, " zegt hij. "Je kunt naar de veel gemakkelijker toegankelijke kristallijne vorm gaan die van de plank verkrijgbaar is. Sommige eigendommen worden bewaard en overleven."

Elektronenbeweging begrijpen

Dit, natuurlijk, apparaatontwerp drastisch zou kunnen vereenvoudigen.

"Deze materialen zijn zo ongewoon dat we er steeds meer over ontdekken, en ze onthullen een aantal ongelooflijke functies waarvan we denken dat we ze kunnen gebruiken, maar hoe weten we dat zeker?", zegt Monti. "Een manier om dat te weten is door te begrijpen hoe elektronen in deze materialen bewegen, zodat we nieuwe manieren kunnen ontwikkelen om ze te manipuleren - bijvoorbeeld, met licht in plaats van elektrische stroom zoals conventionele computers doen."

Om dit onderzoek te doen, het team moest een hindernis overwinnen die nog nooit eerder was genomen:een manier vinden om individuele elektronen te "kijken" terwijl ze door de kristallen stromen.

"We hebben in wezen een klok gebouwd die bewegende elektronen kan timen zoals een stopwatch, " zegt Monti. "Hierdoor konden we de eerste directe waarnemingen doen van elektronen die in kristallen in realtime bewegen. Tot nu, dat was slechts indirect gedaan, met behulp van theoretische modellen."

Het werk is een belangrijke stap in de richting van het benutten van de ongebruikelijke eigenschappen die TMD's intrigerende kandidaten maken voor toekomstige verwerkingstechnologie, omdat dat een beter begrip vereist van hoe elektronen zich gedragen en erin bewegen.

Monti's "stopwatch" maakt het mogelijk om bewegende elektronen te volgen met een resolutie van slechts een attoseconde - een miljardste van een miljardste van een seconde. Elektronen volgen in de kristallen, het team deed nog een ontdekking:de ladingsstroom hangt af van de richting, een observatie die lijkt te vliegen in het gezicht van de natuurkunde.

In samenwerking met Mahesh Neupane, een computerfysicus bij Army Research Laboratories, en Dennis Nordlund, een röntgenspectroscopie-expert aan het SLAC National Accelerator Laboratory van Stanford University, Monti's team gebruikte een afstembare, röntgenbron met hoge intensiteit om individuele elektronen in hun testmonsters te exciteren en ze tot zeer hoge energieniveaus te verhogen.

"Als een elektron op die manier wordt aangeslagen, het is het equivalent van een auto die van 10 mijl per uur naar duizenden mijlen per uur wordt geduwd, Monti legt uit. "Het wil van die enorme energie af en terugvallen naar zijn oorspronkelijke energieniveau. Dat proces is extreem kort, en wanneer dat gebeurt, het geeft een specifieke signatuur af die we kunnen oppikken met onze instrumenten."

De onderzoekers konden dit zo doen dat ze konden onderscheiden of de aangeslagen elektronen in dezelfde laag van het materiaal bleven, of verspreid in aangrenzende lagen over het kristal.

"We zagen dat elektronen op deze manier werden geëxciteerd binnen dezelfde laag en deden dat extreem snel, in de orde van een paar honderd attoseconden, ' zegt Monti.

In tegenstelling tot, elektronen die wel naar aangrenzende lagen gingen, deden er meer dan 10 keer langer over om terug te keren naar hun grondenergietoestand. Door het verschil konden de onderzoekers onderscheid maken tussen de twee populaties.

"Ik was erg opgewonden om dat directionele mechanisme van ladingsverdeling binnen een laag te ontdekken, in tegenstelling tot over lagen, " zegt Eeds, hoofdauteur van de krant. "Dat was nog nooit eerder waargenomen."

Dichter bij massaproductie

De röntgen "klok" die wordt gebruikt om elektronen te volgen, maakt geen deel uit van de beoogde toepassingen, maar een middel om het gedrag van elektronen erin te bestuderen, Monti legt uit, een noodzakelijke eerste stap om dichter bij technologie te komen met de gewenste eigenschappen die in massa kunnen worden vervaardigd.

"Een voorbeeld van het ongewone gedrag dat we in deze materialen zien, is dat een elektron dat naar rechts gaat niet hetzelfde is als een elektron dat naar links gaat, "zegt hij. "Dat zou niet mogen gebeuren - volgens de fysica van standaardmaterialen, naar links of naar rechts gaan is precies hetzelfde. Echter, voor deze materialen is dat niet waar."

Deze directionaliteit is een voorbeeld van wat TMD's intrigerend maakt voor wetenschappers, omdat het kan worden gebruikt om informatie te coderen.

"Naar rechts bewegen kan worden gecodeerd als 'één' en naar links gaan als 'nul, '" zegt Monti. "Dus als ik elektronen kan genereren die netjes naar rechts gaan, Ik heb er een heleboel geschreven, en als ik elektronen kan genereren die netjes naar links gaan, Ik heb een aantal nullen gegenereerd."

In plaats van elektrische stroom toe te passen, ingenieurs konden op deze manier elektronen manipuleren met licht zoals een laser, optisch schrijven, informatie lezen en verwerken. En misschien wordt het ooit zelfs mogelijk om informatie optisch te verstrengelen, de weg vrijmaken voor quantum computing.

"Elk jaar, er worden steeds meer ontdekkingen gedaan in deze materialen, "Zegt Eads. "Ze exploderen in termen van wat voor soort elektronische eigenschappen je erin kunt waarnemen. Er is een heel spectrum aan manieren waarop ze kunnen functioneren, van supergeleidend, halfgeleidend tot isolerend, en mogelijk nog meer."

Het hier beschreven onderzoek is slechts één manier om het onverwachte te onderzoeken, opwindende eigenschappen van gelaagde TMD-kristallen, volgens Monti.

"Als je dit experiment in silicium deed, je zou er niets van zien, "zegt hij. "Silicium zal zich altijd gedragen als een driedimensionaal kristal, wat je ook doet. Het draait allemaal om de gelaagdheid."