Miljarden kleine transistors leveren de rekenkracht in moderne smartphones, het regelen van de stroom van elektronen met snel aan-en-uit schakelen.

Maar de voortdurende vooruitgang bij het inpakken van meer transistors in kleinere apparaten duwt naar de fysieke grenzen van conventionele materialen. Veelvoorkomende inefficiënties in transistormaterialen veroorzaken energieverlies, wat resulteert in warmteophoping en een kortere levensduur van de batterij, dus zijn onderzoekers op zoek naar alternatieve materialen waarmee apparaten efficiënter kunnen werken met een lager vermogen.

Nutsvoorzieningen, een experiment uitgevoerd in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft aangetoond, Voor de eerste keer, elektronisch schakelen in een exotische, ultradun materiaal dat een lading kan dragen met bijna nul verlies bij kamertemperatuur. Onderzoekers toonden deze omschakeling aan bij het onderwerpen van het materiaal aan een elektrisch veld met een lage stroomsterkte.

Het team, die werd geleid door onderzoekers van de Monash University in Australië en inclusief Berkeley Lab-wetenschappers, groeide het materiaal van de grond af en bestudeerde het met röntgenstralen bij de Advanced Light Source (ALS), een faciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy.

Het materiaal, bekend als natriumbismuthide (Na3Bi), is een van de twee materialen waarvan bekend is dat het een "topologisch Dirac-halfmetaal is, " wat betekent dat het unieke elektronische eigenschappen heeft die kunnen worden afgestemd om zich op verschillende manieren te gedragen - in sommige gevallen meer als een conventioneel materiaal en in andere gevallen meer als een topologisch materiaal. De topologische eigenschappen ervan werden voor het eerst bevestigd in eerdere experimenten bij de ALS.

Topologische materialen worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor transistors van de volgende generatie, en voor andere elektronica- en computertoepassingen, vanwege hun potentieel om energieverlies en stroomverbruik in apparaten te verminderen. Deze eigenschappen kunnen bestaan ​​bij kamertemperatuur - een belangrijk onderscheid met supergeleiders die extreme koeling vereisen - en kunnen blijven bestaan, zelfs als de materialen structurele defecten hebben en onderhevig zijn aan stress.

Materialen met topologische eigenschappen zijn de focus van intensief onderzoek door de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap (zie een gerelateerd artikel), en in 2016 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend voor theorieën met betrekking tot topologische eigenschappen in materialen.

Het gemak waarmee het bij de ALS bestudeerde materiaal van een elektrisch geleidende naar een isolerende, of niet-geleidende staat, veel goeds voor zijn toekomstige transistortoepassingen, zei Sung-Kwan Mo, een stafwetenschapper bij de ALS die heeft deelgenomen aan de laatste studie. De studie wordt gedetailleerd beschreven in de 10 december-editie van het tijdschrift Natuur .

Een ander belangrijk aspect van de laatste studie is dat het team van Monash University een manier heeft gevonden om het extreem dun te laten groeien, tot een enkele laag gerangschikt in een honingraatpatroon van natrium- en bismutatomen, en om de dikte van elke laag die ze maken te regelen.

"Als je een apparaat wilt maken, je wilt het dun maken, Mo zei. "Deze studie bewijst dat het kan worden gedaan voor Na3Bi, en de elektrische eigenschappen ervan kunnen eenvoudig worden geregeld met laagspanning. We zijn een stap dichter bij een topologische transistor."

Michael Führer, een natuurkundige aan de Monash University die deelnam aan het onderzoek, zei, "Deze ontdekking is een stap in de richting van topologische transistors die de computerwereld zouden kunnen transformeren."

Hij voegde toe, "Topologische elektronica met ultralage energie is een potentieel antwoord op de toenemende uitdaging van energieverspilling in moderne computers. Informatie- en communicatietechnologie verbruikt al 8 procent van de wereldwijde elektriciteit, en dat verdubbelt elk decennium."

In de laatste studie, onderzoekers groeiden de materiaalmonsters, enkele millimeters aan een kant meten, op een siliciumwafel onder ultrahoog vacuüm bij de ALS Beamline 10.0.1 met behulp van een proces dat bekend staat als moleculaire bundelepitaxie. De bundellijn stelt onderzoekers in staat om monsters te kweken en vervolgens experimenten uit te voeren onder dezelfde vacuümomstandigheden om besmetting te voorkomen.

Deze bundellijn is gespecialiseerd voor een röntgentechniek die bekend staat als hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie, of ARPES, die informatie geven over hoe elektronen in materialen reizen. In typische topologische materialen, elektronen stromen langs de randen van het materiaal, terwijl de rest van het materiaal dient als een isolator die deze stroming voorkomt.

Sommige röntgenexperimenten op vergelijkbare monsters werden ook uitgevoerd bij de Australische Synchrotron om aan te tonen dat het ultradunne Na3Bi vrijstaand was en geen chemische interactie had met de siliciumwafel waarop het was gegroeid. Onderzoekers hadden ook monsters bestudeerd met een scanning tunneling microscoop aan de Monash University die hielpen om andere metingen te bevestigen.

"In deze randpaden, elektronen kunnen maar in één richting reizen, " zei Mark Edmonds, een natuurkundige aan de Monash University die de studie leidde. "En dit betekent dat er geen 'terugverstrooiing' kan zijn, ' dat is wat elektrische weerstand veroorzaakt in conventionele elektrische geleiders."

In dit geval, onderzoekers ontdekten dat het ultradunne materiaal volledig geleidend werd wanneer het werd blootgesteld aan het elektrische veld, en kan ook worden geschakeld om een ​​isolator over het hele materiaal te worden wanneer het wordt blootgesteld aan een iets hoger elektrisch veld.

Mo zei dat de elektrisch aangedreven schakeling een belangrijke stap is in het realiseren van toepassingen voor materialen - sommige andere onderzoeksinspanningen hebben mechanismen nagestreefd zoals chemische doping of mechanische belasting die moeilijker te controleren en uit te voeren zijn.

Het onderzoeksteam zoekt naar andere voorbeelden die op een vergelijkbare manier kunnen worden in- en uitgeschakeld om de ontwikkeling van een nieuwe generatie ultralage-energie-elektronica te begeleiden, zei Edmonds.