Voortbouwend op de behoefte van de luchtmacht om technische apparaten te ontwikkelen die in het veld minimaal moeten worden opgeladen, de Universiteit van Texas in San Antonio (UTSA) gebruikt principes in de kwantumwetenschap en techniek om een ​​op grafeen gebaseerd logisch apparaat te bouwen. Deze nieuwe technologie zal de energie-efficiëntie verbeteren van batterijafhankelijke apparaten, van mobiele telefoons tot computers.

"We ontwikkelen apparaten die bijna batterijloos kunnen werken, " zei Ethan Ahn, UTSA-assistent-professor in elektrotechniek.

UTSA-ingenieurs gebruiken spintronica, de studie van de intrinsieke kwantummechanische eigenschap van een elektron, spin genaamd, om low-power werking mogelijk te maken met een mogelijke toepassing in quantum computing.

"Een elektron is een klein, maar zeer sterke magneet, "zei Ahn. "Stel je voor dat een elektron om zijn eigen as draait, naar boven of naar beneden."

Traditionele technische apparaten gebruiken de elektronische lading van elektronen voor stroom. In spintronica, onderzoekers gebruiken de inherente spin van elektronen als een nieuwe krachtbron. Met deze nieuwe aanpak apparaten hebben minder elektronen nodig om te werken.

Er zijn hindernissen, echter, bij het benutten van de kracht van spin. In kwantumcomputing die spin van elektronen gebruikt om informatie te verzenden, de uitdaging voor onderzoekers is om spin zo efficiënt mogelijk vast te leggen.

"Als je 100 elektronen in het kanaal hebt geïnjecteerd om het volgende logische circuit van stroom te voorzien, je mag maar één of twee spins gebruiken omdat de injectie-efficiëntie erg laag is. Dit is 98 procent verloren spin, "zei Ahn.

Om spinverlies te voorkomen, Ahn heeft het nieuwe idee van de "zero-power carbon interconnect" ontwikkeld door nanomaterialen te gebruiken als zowel het spintransportkanaal als de tunnelbarrière. Deze nanomaterialen zijn als een vel papier, een tweedimensionale laag koolstofatomen van slechts enkele nanometers dik, en het is het contactpunt waar spin-injectie in het apparaat wordt ingevoerd. Het prototype van Ahn is een interconnect gebouwd met een gereduceerde grafeenoxidelaag.

"Het is nieuw omdat we grafeen gebruiken, een nanomateriaal, om spin-injectie te verbeteren. Door de hoeveelheid oxide op de grafeenlagen te regelen, we kunnen de geleidbaarheid van elektronen verfijnen, "zei Ahn.

Grafeen heeft een brede aantrekkingskracht omdat het 's werelds sterkste nanomateriaal is. In feite, de geleidbaarheid bij kamertemperatuur van grafeen is hoger dan die van enig ander bekend materiaal.

Indien succesvol, de koolstofvrije koolstofverbinding die Ahn samen met zijn medewerkers aan de UT-Austin en de Michigan State University aan het maken is, zou worden geïntegreerd in de logische component van een computerchip.

Het apparaat, eenmaal ontwikkeld, zal worden ingediend bij het U.S. Air Force Office of Scientific Research, die het werk van UTSA ondersteunt met een driejarige subsidie.

"Het leger heeft kleinere apparaten nodig die in afgelegen velden kunnen werken zonder batterijen op te laden. " zei Ahn. "Als onze nul-energie koolstofinterconnectie succesvol is, het zal de efficiëntie van grafeen-spintronica verbeteren - een cruciale stap in het bevorderen van de volgende generatie elektronica met laag vermogen, zoals kwantumcomputers."

Deze interconnect kan ook zeer gunstig zijn voor de cloud computing-industrie. Volgens het Data Knowledge Center, on-demand cloud computing-platforms zoals Amazon Web Services alleen verbruiken ongeveer twee procent van de energie van het land. Als de nul-energie koolstofinterconnectie succesvol is, cloudservers zoals servers die streamingdiensten zoals Netflix of hostgegevens aanbieden, sneller en met minder stroom kunnen werken.