В отличие от современной электроники на основе кремния, которая выделяет большую часть потребляемой энергии в виде отработанного тепла, будущее за маломощными вычислениями. Эта технология, известная как спинтроника, полагается на квантовое физическое свойство электронов — вращение вверх или вниз — для обработки и хранения информации, а не перемещения их с помощью электричества, как это делают обычные вычисления.
В стремлении сделать спинтронные устройства реальностью ученые из Университета Аризоны изучают экзотический урожай материалов, известный как дихалькогениды переходных металлов, или TMD. TMD обладают захватывающими свойствами, открывающими новые способы обработки и хранения информации, и могут стать основой будущих транзисторов и фотоэлектрических элементов — и потенциально даже открыть путь к квантовым вычислениям.
Например, современные солнечные элементы на основе кремния реально преобразуют в электричество только около 25 процентов солнечного света, поэтому эффективность является проблемой, — говорит Калли Идс, докторант пятого курса факультета химии и биохимии UA, который изучает некоторые свойства. этих новых материалов. «Там может быть огромное улучшение сбора энергии, и эти материалы потенциально могут сделать это», — говорит она.
Однако есть одна загвоздка: большинство TMD проявляют свою магию только в виде очень больших листов, но толщиной всего от одного до трех атомов. Такие атомные слои достаточно сложно производить в лабораторных масштабах, не говоря уже о массовом промышленном производстве.
По словам Оливера Монти, профессора кафедры и советника Идса, прилагаются большие усилия для разработки атомарно тонких материалов для квантовой связи, маломощной электроники и солнечных элементов.
Изучая TMD, состоящий из чередующихся слоев олова и серы, его исследовательская группа недавно обнаружила возможное сокращение, опубликованное в журнале Nature Communications.
«Мы показываем, что для некоторых из этих свойств вам не нужно обращаться к атомарно тонким листам», — говорит он. "Вы можете перейти к гораздо более доступной кристаллической форме, доступной на полке. Некоторые свойства сохранены и выживают."
Понимание движения электронов
Это, конечно, может значительно упростить конструкцию устройства.
«Эти материалы настолько необычны, что мы постоянно узнаем о них все больше и больше, и они раскрывают некоторые невероятные особенности, которые, как мы думаем, мы можем использовать, но как мы можем узнать наверняка?"Монти говорит. "Один из способов узнать это — понять, как электроны перемещаются в этих материалах, чтобы мы могли разработать новые способы управления ими — например, с помощью света вместо электрического тока, как это делают обычные компьютеры."
Чтобы провести это исследование, команде пришлось преодолеть препятствие, которое никогда не было устранено ранее: найти способ «наблюдать» за отдельными электронами, когда они проходят через кристаллы.
«Мы создали часы, которые могут отсчитывать движущиеся электроны, как секундомер», — говорит Монти. "Это позволило нам провести первые прямые наблюдения за движением электронов в кристаллах в реальном времени. До сих пор это делалось только косвенно, с использованием теоретических моделей."
Работа является важным шагом на пути к использованию необычных функций, которые делают TMD интригующими кандидатами для будущей технологии обработки, потому что это требует лучшего понимания того, как электроны ведут себя и перемещаются в них.
«Секундомер» Монти позволяет отслеживать движущиеся электроны с разрешением в одну аттосекунду — миллиардную миллиардную долю секунды. Отслеживая электроны внутри кристаллов, команда сделала еще одно открытие: поток заряда зависит от направления, и это наблюдение, кажется, идет вразрез с физикой.
В сотрудничестве с Махешем Неупане, вычислительным физиком из армейских исследовательских лабораторий, и Деннисом Нордлундом, экспертом по рентгеновской спектроскопии в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэнфордского университета, команда Монти использовала настраиваемый высокоинтенсивный источник рентгеновского излучения для возбуждения отдельных электронов в их испытать образцы и поднять их до очень высоких уровней энергии.
«Когда электрон возбужден таким образом, это эквивалентно тому, как автомобиль разгоняется от скорости 10 миль в час до тысячи миль в час», — объясняет Монти. "Он хочет избавиться от этой огромной энергии и вернуться к своему первоначальному уровню энергии.
Этот процесс очень короткий, и когда это происходит, он дает определенную сигнатуру, которую мы можем уловить с помощью наших инструментов."
Исследователи смогли сделать это таким образом, чтобы они могли различать, остаются ли возбужденные электроны в одном слое материала или распространяются на соседние слои по всему кристаллу.
«Мы видели, что возбужденные таким образом электроны рассеиваются внутри одного и того же слоя, и делали это очень быстро, порядка нескольких сотен аттосекунд», — говорит Монти.
Напротив, электронам, которые действительно переходили в соседние слои, требовалось более чем в 10 раз больше времени, чтобы вернуться в свое основное энергетическое состояние. Разница позволила исследователям различать две популяции.
«Я был очень взволнован, обнаружив, что этот направленный механизм распределения заряда происходит внутри слоя, а не между слоями», — говорит Идс, ведущий автор статьи. "Этого никогда раньше не наблюдалось."
Ближе к массовому производству
По словам Монти, рентгеновские «часы», используемые для отслеживания электронов, не являются частью предполагаемых приложений, а являются средством изучения поведения электронов внутри них, что является необходимым первым шагом на пути к технологии с желаемыми свойствами, которые могут быть массовыми. -изготовлен.
«Одним из примеров необычного поведения, которое мы видим в этих материалах, является то, что электрон, идущий вправо, не то же самое, что электрон, идущий влево», — говорит он. "Этого не должно происходить — согласно физике стандартных материалов движение влево или вправо — одно и то же. Однако для этих материалов это не так."
Эта направленность — пример того, что делает TMD интригующим для ученых, потому что его можно использовать для кодирования информации.
«Движение вправо может быть закодировано как« единица », а движение влево — как« ноль », — говорит Монти. "Итак, если я могу генерировать электроны, которые аккуратно идут вправо, я написал кучу их, и если я могу генерировать электроны, которые аккуратно уходят влево, я сгенерировал кучу нулей."
Вместо применения электрического тока инженеры могли бы манипулировать электронами таким образом, используя свет, например, лазер, для оптической записи, чтения и обработки информации. И, возможно, когда-нибудь станет возможным оптически запутывать информацию, открывая путь к квантовым вычислениям.
«С каждым годом в этих материалах происходит все больше и больше открытий», — говорит Идс. "Они взрываются тем, какие электронные свойства вы можете наблюдать в них. Существует целый спектр способов их функционирования: от сверхпроводящих и полупроводниковых до изоляционных и, возможно, других."
По словам Монти, описанное здесь исследование — лишь один из способов исследовать неожиданные, захватывающие свойства слоистых кристаллов TMD.
«Если бы вы провели этот эксперимент с кремнием, вы бы ничего этого не увидели», — говорит он. "Кремний всегда будет вести себя как трехмерный кристалл, что бы вы ни делали. Все дело в наслоении."