Als onze smartphones, laptops, en computers worden kleiner en sneller, dat geldt ook voor de transistors erin die de stroom van elektriciteit regelen en informatie opslaan. Maar traditionele transistors kunnen alleen zo veel krimpen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben een nieuwe atomair dunne magnetische halfgeleider ontwikkeld waarmee nieuwe transistors kunnen worden ontwikkeld die op een heel andere manier werken; ze kunnen niet alleen de lading van een elektron benutten, maar ook de kracht van zijn spin, een alternatief pad bieden voor het maken van steeds kleinere en snellere elektronica.

In plaats van te vertrouwen op het maken van steeds kleinere elektrische componenten, de nieuwe ontdekking, gerapporteerd in het april 2020 nummer van Natuurcommunicatie , biedt potentieel een cruciaal platform voor het bevorderen van het gebied van spintronica (spin + elektronica), een fundamenteel nieuwe manier om elektronica te bedienen en een broodnodig alternatief voor de voortdurende miniaturisering van standaard elektronische apparaten. Naast het wegnemen van de miniaturisatiebarrière, de nieuwe atomair dunne magneet kan ook een hogere verwerkingssnelheid mogelijk maken, minder energieverbruik en meer opslagcapaciteit.

"Een tweedimensionale ferromagnetische halfgeleider is een materiaal waarin ferromagnetisme en halfgeleidende eigenschappen naast elkaar bestaan, en aangezien ons materiaal bij kamertemperatuur werkt, het stelt ons in staat om het gemakkelijk te integreren met de gevestigde halfgeleidertechnologie, " zei EH Yang, een professor in werktuigbouwkunde aan het Stevens Institute of Technology, die dit project leidde.

"De magnetische veldsterkte in dit materiaal is 0,5 mT; terwijl een dergelijke zwakke magnetische veldsterkte ons niet in staat stelt een paperclip op te pakken, het is groot genoeg om de spin van elektronen te veranderen, die kunnen worden gebruikt voor toepassingen met kwantumbits, " zei Stefan Strauf, een professor in de natuurkunde aan Stevens.

Toen computers voor het eerst werden gebouwd, ze vulden een hele kamer, maar nu passen ze in je achterzak. De reden hiervoor is de wet van Moore, wat suggereert dat om de twee jaar, het aantal transistors dat op een computerchip past zal verdubbelen, effectief een verdubbeling van de snelheid en mogelijkheden van een gadget. Maar transistoren kunnen alleen zo klein worden als de elektrische signalen die ze zouden moeten besturen niet langer gehoorzamen aan hun commando's.

Hoewel de meeste voorspellers verwachten dat de wet van Moore in 2025 zal eindigen, alternatieve benaderingen, die niet afhankelijk zijn van fysieke schaalbaarheid, zijn onderzocht. De spin van elektronen manipuleren, in plaats van alleen op hun kosten te vertrouwen, kan in de toekomst een oplossing bieden.

Een nieuwe magnetische halfgeleider bouwen met behulp van tweedimensionale materialen, dat wil zeggen, twee atomen dik- zal de ontwikkeling van een transistor mogelijk maken om elektriciteit te regelen met controle van de spin van een elektron, omhoog of omlaag, terwijl het hele apparaat lichtgewicht blijft, flexibel en transparant.

Met behulp van een methode die in situ vervangende doping wordt genoemd, Yang en zijn team hebben met succes een magnetische halfgeleider gesynthetiseerd waarbij een molybdeendisulfidekristal vervangend wordt gedoteerd met geïsoleerde ijzeratomen. Tijdens dit proces, de ijzeratomen zetten een deel van de molybdeenatomen af ​​en nemen hun plaats in, op de exacte plek, het creëren van een transparant en flexibel magnetisch materiaal - nogmaals, slechts twee atomen dik. Het materiaal blijkt bij kamertemperatuur gemagnetiseerd te blijven, en aangezien het een halfgeleider is, het kan in de toekomst direct worden geïntegreerd in de bestaande architectuur van elektronische apparaten.

Yang en zijn team bij Stevens werkten samen met verschillende instellingen om het materiaal - atoom voor atoom - in beeld te brengen om te bewijzen dat de ijzeratomen de plaats innamen van enkele van de molybdeenatomen. Deze instellingen omvatten de Universiteit van Rochester, Rensselaer Polytechnisch Instituut, Brookhaven Nationaal Laboratorium, en Columbia-universiteit.

"Om iets groots te doen in de wetenschap, je moet anderen zover krijgen om met je samen te werken, " zei Shichen Fu, een doctoraat student werktuigbouwkunde aan Stevens. "Deze keer, we hebben de juiste mensen bij elkaar gebracht - laboratoria met verschillende sterke punten en verschillende perspectieven - om dit mogelijk te maken."