Naukowcy opracowali nowy typ niezwykle cienkiego półprzewodnika krystalicznego, który umożliwia elektronom poruszanie się siedem razy szybciej niż w tradycyjnych półprzewodnikach — a to może mieć ogromne znaczenie dla urządzeń elektronicznych.
W badaniu opublikowanym 1 lipca w czasopiśmie Materiały Dzisiaj Fizykafizycy stworzyli niezwykle cienką warstwę z materiału krystalicznego zwanego tetradymitem potrójnym.
Film — mający zaledwie 100 nanometrów szerokości, czyli około jedną tysięczną grubości ludzkiego włosa — powstał w procesie zwanym Epitaksja wiązki molekularnejktóry polega na precyzyjnym kontrolowaniu wiązek cząsteczek w celu zbudowania materiału atom po atomie. Proces ten pozwala na budowę materiałów z minimalnymi wadami lub defektami, umożliwiając większą ruchliwość elektronów, miarę tego, jak łatwo elektrony przemieszczają się przez materiał pod wpływem pola elektrycznego.
Gdy naukowcy zastosowali prąd elektryczny do filmu, zarejestrowali elektrony poruszające się z rekordową prędkością 10 000 centymetrów kwadratowych na wolt-sekundę (cm^2/Vs). Dla porównania, elektrony zazwyczaj poruszają się z prędkością około 1400 cm^2/Vs w standardowych półprzewodnikach krzemowychi znacznie wolniej w tradycyjnym okablowaniu miedzianym.
Ta niebotyczna ruchliwość elektronów przekłada się na lepszą przewodność. To z kolei otwiera drogę do wydajniejszych i mocniejszych urządzeń elektronicznych, które emitują mniej ciepła i marnują mniej energii.
Naukowcy porównali właściwości filmu do „autostrady bez ruchu”, mówiąc, że takie materiały „będą niezbędne dla bardziej wydajnych i zrównoważonych urządzeń elektronicznych, które mogą wykonać więcej pracy przy mniejszym zużyciu energii”. Potencjalne zastosowania obejmują przenośne urządzenia termoelektryczne, które zamieniają ciepło odpadowe na energię elektryczną, oraz urządzenia „spintroniczne”, które wykorzystują spin elektronów zamiast ładunku do przetwarzania informacji, powiedzieli naukowcy.
„Wcześniej to, co ludzie osiągnęli w zakresie mobilności elektronów w tych systemach, przypominało ruch uliczny na drodze w budowie — jesteś zakorkowany, nie możesz jechać, jest zakurzony i bałagan” Jagadeesh Mooderafizyk z MIT, powiedział w oświadczenie„W tym nowo zoptymalizowanym materiale jest to jak jazda po Mass Pike bez ruchu”.
Naukowcy zmierzyli ruchliwość elektronów w materiale, umieszczając krystaliczną warstwę w ekstremalnie zimnym środowisku pod pole magnetyczneNastępnie przepuścili przez niego prąd elektryczny i zmierzyli oscylacje kwantowektóre występują, gdy opór elektryczny zmienia się w zależności od pola magnetycznego.
Nawet drobne defekty w materiale mogą wpływać na mobilność elektroniczną, utrudniając ruch elektronów. W związku z tym naukowcy mają nadzieję, że udoskonalenie procesu tworzenia filmu przyniesie jeszcze lepsze rezultaty.
„To pokazuje, że można pójść o krok dalej, jeśli odpowiednio kontroluje się te złożone systemy” — powiedział Moodera. „To mówi nam, że zmierzamy we właściwym kierunku i mamy odpowiedni system, aby iść dalej, aby udoskonalać ten materiał aż do jeszcze cieńszych warstw i sprzężenia zbliżeniowego do wykorzystania w przyszłej spintronice i przenośnych urządzeniach termoelektrycznych”.
