Naukowcy opracowali nowy materiał o strukturze „kanapkowej”, który wykazuje anomalny kwantowy efekt Halla, umożliwiający elektronom przemieszczanie się w wyższych temperaturach niemal bez oporu.
To przełomowe rozwiązanie może znacznie zwiększyć moc obliczeniową, jednocześnie radykalnie zmniejszając zużycie energii. Struktura opiera się na podejściu warstwowym z tellurkiem bizmutu i tellurkiem bizmutu manganu, co stanowi obietnicę szybszych i wydajniejszych przyszłych urządzeń elektronicznych.
Innowacje w zakresie materiałów kwantowych
Naukowcy nieustannie dążą do zwiększenia mocy komputerów przy jednoczesnej minimalizacji zużycia energii. Istotnym przełomem byłoby odkrycie materiału przewodzącego elektrony z opornością bliską zeru w standardowych temperaturach roboczych. W tym badaniu naukowcy zidentyfikowali obiecującego kandydata w postaci warstwowej struktury wykazującej kwantowy anomalny efekt Halla (QAH). To rzadkie zjawisko pozwala elektronom ustawionym w tym samym kierunku spinu przemieszczać się wzdłuż krawędzi materiału prawie bez oporu.
Zwiększanie wydajności komputera poprzez spin elektronów
Wydajne komputery oferują znaczne korzyści, ale wiążą się z wysokimi kosztami energii. Struktura warstwowa zbadana w ramach tych badań toruje drogę urządzeniom wykorzystującym spin elektronów, prowadząc do systemów, które są zarówno szybsze, jak i bardziej energooszczędne. Ponadto badania te wzbogacają naszą wiedzę na temat interakcji na poziomie atomowym w warstwowych stosach materiałów. Ta wiedza jest kluczowa dla naukowców i inżynierów, którzy chcą opracować struktury, które wypychają materiały o zerowym oporze do wyższych temperatur.
Udoskonalanie materiałów do obliczeń kwantowych
W ramach tego badania badano tellurek bizmutu (Bi2Te3), izolator topologiczny. Oznacza to, że materiał jest izolujący elektrycznie w swoim wnętrzu, ale może przewodzić prąd elektryczny na swoich powierzchniach. Aby zamienić izolator topologiczny (który obejmuje zarówno prądy spinowe, jak i spinowe) w izolator QAH (z prądami tylko jednego rodzaju spinu), konieczne jest zaindukowanie porządku magnetycznego w materiale. Dodawanie rozcieńczonych ilości domieszek magnetycznych może być trudnym procesem, który w rzeczywistości powoduje zaburzenie magnetyczne, znacznie obniżające temperaturę, w której można zaobserwować efekt QAH.
Lepszą strategią jest umieszczenie izolatora topologicznego warstwami ferromagnetycznymi, indukując porządek magnetyczny poprzez efekty bliskości. Jedna z obiecujących architektur obejmuje strukturę warstwową z pojedynczymi warstwami izolatora ferromagnetycznego, tellurku bizmutu manganu (MnBi2Te4), po obu stronach warstw ultracienkiego izolatora topologicznego Bi2Te3.
Odkrywanie nowych efektów kwantowych w obiektach DOE
Na Zaawansowane źródło światłanależącego do Biura Naukowego Departamentu Energii (DOE), badacze zsyntetyzowali tę strukturę warstwową w procesie zwanym epitaksją z wiązek molekularnych, podczas którego warstwy atomowe są starannie budowane pojedynczo ze źródeł różnych materiałów składowych. Próbki następnie przeniesiono do połączonej komory eksperymentalnej, aby zbadać zachowanie elektroniczne systemu za pomocą światła ultrafioletowego.
Badając elektrony emitowane z powierzchni w odpowiedzi na padające światło, naukowcy odkryli cechy zgodne z przewidywanym efektem QAH, co wskazuje, że ta kanapka z materiałem kwantowym jest dobrym kandydatem do wspierania efektu QAH w podwyższonych temperaturach.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Odblokowywanie bezstratnej elektroniki za pomocą innowacyjnej „kanapki” kwantowej.
Odniesienie: „Duża szczelina magnetyczna w designerskim ferromagnetyku – izolator topologiczny – heterostruktura ferromagnetyczna” autorstwa Qile Li, Chi Xuan Trang, Weikang Wu, Jinwoong Hwang, David Cortie, Nikhil Medhekar, Sung-Kwan Mo, Shengyuan A. Yang i Mark T. Edmonds, 08 marca 2022 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202107520
Badania te finansowane były przez Australijską Radę ds. Badań Naukowych, Australijską Organizację Nauki i Technologii Jądrowej oraz Ministerstwo Edukacji Singapuru. W badaniach wykorzystano zasoby Advanced Light Source, obiektu użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii.
