Een onderzoeksteam van de Universiteit van Minnesota en Twin Cities heeft voor het eerst een unieke topologische film van semi-metaalachtig materiaal gesynthetiseerd die het potentieel heeft om meer rekenkracht en geheugenopslag te produceren en tegelijkertijd het energieverbruik dramatisch te verminderen. Bovendien heeft het team het materiaal zorgvuldig bestudeerd en belangrijke inzichten verkregen in de fysica achter de unieke eigenschappen ervan.
Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Zoals blijkt uit de recente CHIPS and Science Act in de Verenigde Staten, is er een groeiende behoefte om de productie van halfgeleiders uit te breiden en onderzoek te ondersteunen dat wordt gebruikt om de materialen te ontwikkelen die elektronische apparaten overal van stroom voorzien. Terwijl traditionele halfgeleiders tegenwoordig de technologie vormen achter de meeste computerchips, zijn wetenschappers en ingenieurs altijd op zoek naar nieuwe materialen die met minder meer stroom kunnen produceren om elektronica beter, kleiner en efficiënter te maken.
Eén kandidaatmateriaal voor deze nieuwe klasse van verbeterde computerchips is een klasse van kwantummaterialen die topologische halfmetalen worden genoemd. De elektronen in deze materialen gedragen zich op verschillende manieren, waardoor de materialen unieke eigenschappen krijgen die niet voorkomen in typische isolatoren en metalen die in elektronische apparaten worden gebruikt. Daarom worden deze materialen onderzocht voor gebruik in spintronische apparaten. Spintronische apparaten zijn een alternatief voor traditionele halfgeleiderapparaten die de spin van elektronen gebruiken in plaats van elektrische lading om gegevens op te slaan en informatie te verwerken.
In de nieuwe studie synthetiseerde een interdisciplinair onderzoeksteam van de Universiteit van Minnesota met succes een dergelijk dun filmmateriaal en demonstreerde het potentieel ervan voor hoge prestaties en een laag energieverbruik.
"Deze studie laat voor het eerst zien dat het mogelijk is om van een zwakke topologische isolator naar een topologisch halfmetaal over te stappen met behulp van een magnetische dopingstrategie", zegt Jianping Wang, senior auteur van het artikel, Distinguished Professor aan McKnight University en Robert Hartmann Chair Professor aan de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Minnesota. "We zijn op zoek naar manieren om de levensduur van elektronische apparaten te verlengen en tegelijkertijd het energieverbruik te verminderen, en we proberen niet-traditionele, onconventionele methoden te gebruiken om dit doel te bereiken."
Onderzoekers bestuderen al jaren topologische materialen, maar het team van de Universiteit van Minnesota is de eerste die een gepatenteerd, industrie-compatibel sputterproces gebruikt om dit halfmetaal in dunne filmvorm te creëren. Wang zei dat, omdat hun proces compatibel is met de industrie, de technologie gemakkelijker kan worden overgenomen en gebruikt om apparaten in de echte wereld te maken.
"We gebruiken elke dag elektronische apparaten in ons leven, van mobiele telefoons tot vaatwassers tot magnetrons. Ze gebruiken allemaal chips. Alles verbruikt energie", zegt Andre Mkhoyan, senior auteur van het artikel en de Ray D. en Mary T. Johnson hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde aan de Universiteit van Minnesota. “De vraag is: hoe minimaliseren we het energieverbruik? Dit onderzoek is een stap in die richting. We ontwikkelen een nieuwe klasse materialen met vergelijkbare of zelfs betere eigenschappen, maar met een lager energieverbruik.”
Omdat de onderzoekers zo’n hoogwaardig materiaal creëerden, konden ze ook de eigenschappen ervan en wat het uniek maakt zorgvuldig analyseren.
"Vanuit natuurkundig perspectief is een van de belangrijkste bijdragen van dit werk dat we enkele van de meest fundamentele eigenschappen van dit materiaal hebben kunnen bestuderen", zegt Tony Low, senior auteur van het artikel en Paul Palmberg universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Minnesota. "Normaal gesproken neemt de longitudinale weerstand van het materiaal toe als je een magnetisch veld aanbrengt, maar in dit specifieke topologische materiaal voorspelden we dat de longitudinale weerstand zou afnemen. We konden onze theorie bevestigen met gemeten transportgegevens en bevestigen dat er negatieve weerstand bestaat."
Al meer dan tien jaar werken Low, Mkhoyan en Wang samen aan topologische materialen voor elektronische apparaten en systemen van de volgende generatie – onderzoek dat niet mogelijk zou zijn geweest zonder de combinatie van hun respectieve expertise op het gebied van theorie en berekeningen, materiaalgroei en karakterisering, en de fabricage van apparaten. "Het bestuderen van zo'n belangrijk en uitdagend onderwerp vereist niet alleen een inspirerende visie, maar ook veel geduld en een groep toegewijde teamleden in vier disciplines, die het mogelijk zullen maken om deze technologie over te zetten van het laboratorium naar de industrie", aldus Wang.