Команда университета Миннесоты впервые синтезировала тонкую плёнку из особого топологического полуметалла, который может обеспечить большую вычислительную мощность и память при значительно меньшем энергопотреблении. Исследователи также подробно изучили материал и сделали важные выводы о физике, лежащей в основе его уникальных свойств. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
В связи с растущей потребностью в увеличении производства полупроводников и поддержке научных разработок, связанных с созданием материалов, которые обеспечивают работу электронных устройств, США недавно приняли закон CHIPS and Science Act. Хотя традиционные полупроводники являются технологией, лежащей в основе большинства современных компьютерных чипов, ученые и инженеры постоянно ищут новые материалы, которые могут генерировать больше мощности с меньшим энергопотреблением, чтобы сделать электронику лучше, меньше и более эффективной.
Одним из кандидатов на роль таких новых и улучшенных компьютерных чипов является класс квантовых материалов, называемых топологическими полуметаллами. Электроны в этих материалах ведут себя по-разному, придавая материалам уникальные свойства, которых нет у типичных изоляторов и металлов, используемых в электронных устройствах. По этой причине они изучаются для применения в спинтронных устройствах, альтернативе традиционным полупроводниковым устройствам, которые используют спин электронов, а не электрический заряд для хранения данных и обработки информации.
В новом исследовании междисциплинарная команда ученых из университета Миннесоты смогла успешно синтезировать такой материал в виде тонкой плёнки – и доказать, что он имеет потенциал для высокой производительности при низком энергопотреблении.
“Это исследование показывает впервые, что можно перейти от слабого топологического изолятора к топологическому полуметаллу, используя стратегию магнитного легирования”, – сказал Джиан-Пин Ванг (Jian-Ping Wang), старший автор статьи и профессор университета Миннесоты по кафедре электротехники и компьютерных наук.
“Мы ищем способы продлить сроки службы наших электрических устройств и одновременно снизить энергопотребление, и мы пытаемся делать это нестандартными, необычными способами”.
Ученые работают над топологическими материалами уже несколько лет, но команда университета Миннесоты первая использовала запатентованный процесс напыления, совместимый с промышленностью, чтобы создать этот полуметалл в формате тонкой плёнки. Поскольку их процесс совместим с промышленностью, Ванг сказал, что технология может быть более легко внедрена и использована для производства реальных устройств.
“Каждый день в нашей жизни мы используем электронные устройства, от мобильных телефонов до посудомоечных машин и микроволновых печей. Они все потребляют энергию”, – сказал Андре Мхоян (Andre Mkhoyan), старший автор статьи и профессор университета Миннесоты по кафедре химической инженерии и материаловедения.
“Вопрос в том, как мы можем минимизировать это потребление энергии? Это исследование – шаг в этом направлении. Мы предлагаем новый класс материалов с аналогичной или часто лучшей производительностью, но при меньшем энергопотреблении”.
Благодаря тому, что исследователи изготовили материал такого высокого качества, они также смогли подробно проанализировать его свойства и то, что делает его таким уникальным.
“Один из основных вкладов этой работы с точки зрения физики заключается в том, что мы смогли изучить некоторые из самых фундаментальных свойств этого материала”, – сказал Тони Лоу (Tony Low), старший автор статьи и профессор университета Миннесоты по кафедре электротехники и компьютерных наук.
“Обычно, когда вы прикладываете магнитное поле, продольное сопротивление материала увеличивается, но в этом конкретном топологическом материале мы предсказали, что оно уменьшится. Мы смогли подтвердить нашу теорию измеренными данными о переносе заряда и подтвердить, что действительно есть отрицательное сопротивление”.
“Каждый день в нашей жизни мы используем электронные устройства, от мобильных телефонов до посудомоечных машин и микроволновых печей. Все они используют чипы. Все потребляет энергию”, – сказал Андре Мхоян, старший автор статьи, заведующий кафедрой Рэя Д. и Мэри Т. Джонсон и профессор кафедры химического машиностроения и материаловедения Миннесотского университета. “Вопрос в том, как минимизировать это потребление энергии? Исследование является шагом в этом направлении. Мы разрабатываем новый класс материалов с аналогичными или даже лучшими характеристиками, но потребляющими гораздо меньше энергии”.