Onderzoekers van MIT zeggen dat ze een theoretische analyse hebben uitgevoerd waaruit blijkt dat een familie van tweedimensionale materialen exotische kwantumeigenschappen vertoont die een nieuw type elektronica op nanoschaal mogelijk maken.

Er wordt voorspeld dat deze materialen een fenomeen vertonen dat het kwantumspin Hall (QSH) -effect wordt genoemd, en behoren tot een klasse van materialen die bekend staat als overgangsmetaal dichalcogeniden, met lagen van enkele atomen dik. De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper die deze week in het tijdschrift verschijnt Wetenschap , co-auteur van MIT-postdocs Xiaofeng Qian en Junwei Liu; assistent-professor natuurkunde Liang Fu; en Ju Li, een professor in nucleaire wetenschappen en techniek en materiaalwetenschap en techniek.

QSH-materialen hebben de ongebruikelijke eigenschap dat ze elektrische isolatoren zijn in het grootste deel van het materiaal, maar zeer geleidend aan hun randen. Dit zou ze mogelijk een geschikt materiaal kunnen maken voor nieuwe soorten kwantumelektronische apparaten, veel onderzoekers geloven.

Maar er zijn slechts twee materialen met QSH-eigenschappen gesynthetiseerd, en potentiële toepassingen van deze materialen worden gehinderd door twee ernstige nadelen:hun bandgap, een eigenschap die essentieel is voor het maken van transistors en andere elektronische apparaten, het is te klein, het geven van een lage signaal-ruisverhouding; en ze missen het vermogen om snel aan en uit te schakelen. Nu zeggen de MIT-onderzoekers dat ze manieren hebben gevonden om beide obstakels mogelijk te omzeilen met behulp van 2D-materialen die voor andere doeleinden zijn onderzocht.

Bestaande QSH-materialen werken alleen bij zeer lage temperaturen en onder moeilijke omstandigheden, Fu zegt, eraan toevoegend dat "de materialen waarvan we voorspelden dat ze dit effect zouden vertonen, algemeen toegankelijk zijn. ... De effecten konden worden waargenomen bij relatief hoge temperaturen."

"Wat hier wordt ontdekt, is een echt 2D-materiaal met deze [QSH]-karakteristiek, "zegt Li. "De randen zijn als perfecte kwantumdraden."

De MIT-onderzoekers zeggen dat dit zou kunnen leiden tot nieuwe soorten kwantumelektronica met een laag vermogen. evenals spintronica-apparaten - een soort elektronica waarbij de spin van elektronen, in plaats van hun elektrische lading, wordt gebruikt om informatie over te dragen.

grafeen, een tweedimensionale, een atoom dikke vorm van koolstof met ongebruikelijke elektrische en mechanische eigenschappen, onderwerp van veel onderzoek geweest, wat heeft geleid tot verder onderzoek naar vergelijkbare 2D-materialen. Maar tot nu toe, weinig onderzoekers hebben deze materialen onderzocht op mogelijke QSH-effecten, zegt het MIT-team. "Tweedimensionale materialen zijn een zeer actief veld voor veel potentiële toepassingen, " zegt Qian - en het theoretische werk van dit team laat nu zien dat ten minste zes van dergelijke materialen deze QSH-eigenschappen delen.

De MIT-onderzoekers bestudeerden materialen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden, een familie van verbindingen gemaakt van de overgangsmetalen molybdeen of wolfraam en de niet-metalen tellurium, selenium, of zwavel. Deze verbindingen vormen van nature dunne platen, gewoon atomen dik, die spontaan een dimerisatiepatroon in hun kristalstructuur kunnen ontwikkelen. Het is deze roosterdimerisatie die de effecten produceert die door het MIT-team zijn bestudeerd.

Hoewel het nieuwe werk theoretisch is, het team maakte een ontwerp voor een nieuw soort transistor op basis van de berekende effecten. Een topologische veldeffecttransistor genoemd, of TFET, het ontwerp is gebaseerd op een enkele laag van het 2D-materiaal, ingeklemd tussen twee lagen 2-D boornitride. De onderzoekers zeggen dat dergelijke apparaten met een zeer hoge dichtheid op een chip kunnen worden geproduceerd en zeer lage verliezen hebben. waardoor een zeer efficiënte werking mogelijk is.

Door een elektrisch veld op het materiaal aan te leggen, de QSH-status kan worden in- en uitgeschakeld, het mogelijk maken van een groot aantal elektronische en spintronische apparaten, ze zeggen.

In aanvulling, dit is een van de meest veelbelovende bekende materialen voor mogelijk gebruik in kwantumcomputers, zeggen de onderzoekers. Quantum computing is meestal onderhevig aan verstoringen - technisch, een verlies van coherentie - zelfs van zeer kleine verstoringen. Maar, Li zegt, topologische kwantumcomputers "kunnen hun coherentie niet verliezen door kleine verstoringen. Het is een groot voordeel voor de verwerking van kwantuminformatie."

Omdat er al zoveel onderzoek gaande is naar deze 2D-materialen voor andere doeleinden, methoden om ze efficiënt te maken, kunnen door andere groepen worden ontwikkeld en kunnen vervolgens worden toegepast bij de creatie van nieuwe elektronische QSH-apparaten, zegt Qian.

Nai Phuan Ong, een professor in de natuurkunde aan de Princeton University die niet aan dit werk was verbonden, zegt, "Hoewel sommige ideeën al eerder zijn genoemd, het huidige systeem lijkt bijzonder veelbelovend. Dit opwindende resultaat zal een brug slaan tussen twee zeer actieve deelgebieden van de fysica van de gecondenseerde materie, topologische isolatoren en dichalcogeniden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.