Avaus pienen energiankäytön elektroniikalle

Wollongongin yliopiston (UOW) suprajohtavien ja elektronisten materiaalien instituutin (ISEM) tutkimusryhmä on ratkaissut 40 vuotta vanhan kvanttipalapelin ja avannut uuden polun seuraavan sukupolven elektronisten laitteiden luomiseen, jotka toimivat menettämättä energiaa tai tuhlaamatta sähköä.

Tutkimustyö esittelee uuden suunnittelukonseptin, jolla voidaan toteuttaa vaikeasti havaittava ja erittäin haluttu kvanttianomaali Hall (QAH) -ilmiö.

Käyttämällä entropiamuokkaukseksi kutsuttua tekniikkaa tiimi muokkasi yhden atomin paksuisen magneettisen materiaalin kvanttikäyttäytymistä sekoittamalla neljää erityyppistä metalliatomia. Tämä satunnainen atomien järjestely muokkasi materiaalin elektronista rakennetta avaamalla topologisen energia-aukon, jonka ansiosta sähkö voi kulkea täydellisesti sen reunoja pitkin ilman häiriöitä tai energiahäviöitä.

Tämä on eräänlainen sähkön "supervaltatie" ja tulevaisuuden kvanttitietokoneiden ja erittäin tehokkaan elektroniikan rakennuspalikka.

UOW-tiimin käyttämä menetelmä – materiaalin sisällä olevan "entropian" eli satunnaisuuden muuttaminen – antaa tutkijoille uuden työkalun entistä parempien kvanttimateriaalien suunnitteluun tulevaisuudessa.

”Tämä on merkittävä askel kohti käytännöllisiä kvanttilaitteita, jotka ovat energiatehokkaita, skaalautuvia ja joustavia”, sanoi professori Xiaolin Wang. ”Menetelmämme avaa uuden tien suunnitella 2D-kvanttimateriaaleja, joilla on vankat topologiset ominaisuudet.”

Läpimurrolla on laaja potentiaalinen sovellusalue – ylikuumentumattomista puhelimista ja tietokoneista kvanttitietokoneisiin, nopeampaan lääketieteelliseen kuvantamiseen ja viikkoja virtaa säilyttäviin energiajärjestelmiin. Se edistää myös professori Wangin ensimmäisenä ideoimaa ja uraauurtavaa materiaaliluokkaa, joka tunnetaan spin-aukottomina (spin-gapless) puolijohteina.

Uudenlaisessa spin-aukottomassa puolijohteessa sekä elektroni että aukko voivat olla täysin spin-polarisoituja. Niille on ominaista aukoton dispersio yhdessä spinsektoreista ja aukollinen spektri toisessa spinsektorissa. Tämän ominaisuuden ansiosta SGS:t kurovat umpeen kuilun magneettisten puolijohteiden ja magneettisten puolimetallien välillä. SGS:illä on suuri potentiaali spintroniikassa, elektroniikassa ja optoelektroniikassa, sillä ne ovat nopeita ja kuluttavat vähän energiaa.

Työssä esitetty vankka QAH-ilmiö on SGS-rakenteiden ainutlaatuinen ominaisuus. Sitä kautta voisi avautua uusi reitti mullistaa matalaenergisiä ja tehokkaita elektronisia ja spintronisia teknologioita, kuten jättimäisiä magnetoresistanssilaitteita, jotka voittavat Schmidtin esteen, ja topologisia kytkentälaitteita, jotka voittavat Boltzmannin tyrannian.

Teoreettista mallinnusta johtanut tohtori Nadeem sanoi: ”Entropiaan perustuva suunnittelu ei ainoastaan muokannut elektronisia kaistoja, vaan avasi vakaan aukon, joka varmistaa reunatilan johtavuuden, mikä on olennaista reaalimaailman kvanttisovelluksissa.”

Aiheesta aiemmin:

Uudenlainen Hall-ilmiö

Huonelämpötilainen Hall-ilmiö ilman magneettikenttää

Päihittää Boltzmanin tyrannian