Ha comenzado el fin de la era del silicio. A medida que los chips de computadora se acercan a los límites físicos de la miniaturización y los procesadores que consumen mucha energía aumentan los costos de energía, los científicos están buscando una nueva cosecha de materiales exóticos que podrían fomentar una nueva generación de dispositivos informáticos que prometen impulsar el rendimiento a nuevas alturas mientras escatiman en el consumo de energía.

A diferencia de la electrónica actual basada en silicio, que arrojan la mayor parte de la energía que consumen como calor residual, el futuro tiene que ver con la informática de bajo consumo. Conocido como espintrónica, esta tecnología se basa en una propiedad física cuántica de los electrones, hacia arriba o hacia abajo, para procesar y almacenar información, en lugar de moverlos con electricidad como lo hace la informática convencional.

En la búsqueda de hacer realidad los dispositivos espintrónicos, Científicos de la Universidad de Arizona están estudiando una cosecha exótica de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición, o TMD. Los TMD tienen propiedades interesantes que se prestan a nuevas formas de procesar y almacenar información y podrían proporcionar la base de futuros transistores y energía fotovoltaica, y potencialmente incluso ofrecer una vía hacia la computación cuántica.

Por ejemplo, Las células solares actuales basadas en silicio convierten de manera realista solo alrededor del 25 por ciento de la luz solar en electricidad, por lo que la eficiencia es un problema, dice Calley Eads, estudiante de doctorado de quinto año del Departamento de Química y Bioquímica de la UA que estudia algunas de las propiedades de estos nuevos materiales. "Podría haber una gran mejora en la recolección de energía, y estos materiales podrían potencialmente hacer esto, " ella dice.

Hay una trampa, sin embargo:la mayoría de los TMD muestran su magia solo en forma de hojas que son muy grandes, pero solo uno a tres átomos de espesor. Tales capas atómicas son lo suficientemente desafiantes como para fabricarlas a escala de laboratorio, y mucho menos en la producción industrial en masa.

Se están realizando muchos esfuerzos para diseñar materiales atómicamente delgados para la comunicación cuántica, electrónica de baja potencia y células solares, según Oliver Monti, profesor del departamento y asesor de Eads. Estudiar un TMD que consta de capas alternas de estaño y azufre, su equipo de investigación descubrió recientemente un posible atajo, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Mostramos que para algunas de estas propiedades, no necesitas ir a las hojas atómicamente delgadas, ", dice." Puede ir a la forma cristalina mucho más accesible que está disponible en el mercado. Algunas de las propiedades se guardan y sobreviven ".

Comprensión del movimiento de electrones

Esta, por supuesto, podría simplificar drásticamente el diseño del dispositivo.

"Estos materiales son tan inusuales que seguimos descubriendo más y más sobre ellos, y están revelando algunas funciones increíbles que creemos que podemos usar, pero, ¿cómo podemos saberlo con certeza? ”, dice Monti.“ Una forma de saberlo es comprender cómo se mueven los electrones en estos materiales para que podamos desarrollar nuevas formas de manipularlos, por ejemplo, con luz en lugar de corriente eléctrica como lo hacen las computadoras convencionales ".

Para hacer esta investigación, el equipo tuvo que superar un obstáculo que nunca antes se había superado:encontrar una manera de "observar" los electrones individuales mientras fluyen a través de los cristales.

"Construimos lo que es esencialmente un reloj que puede cronometrar electrones en movimiento como un cronómetro, "Dice Monti." Esto nos permitió hacer las primeras observaciones directas de electrones que se mueven en cristales en tiempo real. Hasta ahora, que solo se había hecho de manera indirecta, utilizando modelos teóricos ".

El trabajo es un paso importante hacia el aprovechamiento de las características inusuales que hacen que los TMD sean candidatos intrigantes para la tecnología de procesamiento futura. porque eso requiere una mejor comprensión de cómo se comportan y se mueven los electrones en ellos.

El "cronómetro" de Monti permite rastrear electrones en movimiento con una resolución de un mero attosegundo, una mil millonésima de mil millonésima de segundo. Seguimiento de electrones dentro de los cristales, el equipo hizo otro descubrimiento:el flujo de carga depende de la dirección, una observación que parece ir en contra de la física.

Colaborando con Mahesh Neupane, un físico computacional en los Laboratorios de Investigación del Ejército, y Dennis Nordlund, un experto en espectroscopia de rayos X en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC de la Universidad de Stanford, El equipo de Monti usó un tunable, fuente de rayos X de alta intensidad para excitar electrones individuales en sus muestras de prueba y elevarlos a niveles de energía muy altos.

"Cuando un electrón se excita de esa manera, es el equivalente a un automóvil que está siendo empujado de 10 millas por hora a miles de millas por hora, ", Explica Monti." Quiere deshacerse de esa enorme energía y volver a su nivel de energía original. Ese proceso es extremadamente corto, y cuando eso suceda, emite una firma específica que podemos captar con nuestros instrumentos ".

Los investigadores pudieron hacer esto de una manera que les permitió distinguir si los electrones excitados permanecían dentro de la misma capa del material. o esparcir en capas adyacentes a través del cristal.

"Vimos que los electrones excitados de esta manera se dispersaban dentro de la misma capa y lo hicieron extremadamente rápido, del orden de unos cientos de attosegundos, "Dice Monti.

A diferencia de, los electrones que cruzaron a capas adyacentes tardaron más de 10 veces más en volver a su estado de energía fundamental. La diferencia permitió a los investigadores distinguir entre las dos poblaciones.

"Estaba muy emocionado de encontrar ese mecanismo direccional de distribución de carga que ocurre dentro de una capa, a diferencia de las capas, "dice Eads, el autor principal del artículo. "Eso nunca se había observado antes".

Más cerca de la fabricación en masa

El "reloj" de rayos X utilizado para rastrear electrones no es parte de las aplicaciones previstas, sino un medio para estudiar el comportamiento de los electrones dentro de ellos. Monti explica, un primer paso necesario para acercarnos a la tecnología con las propiedades deseadas que podrían fabricarse en serie.

"Un ejemplo del comportamiento inusual que vemos en estos materiales es que un electrón que va hacia la derecha no es lo mismo que un electrón que va hacia la izquierda, ", dice." Eso no debería suceder, de acuerdo con la física de materiales estándar, ir a la izquierda oa la derecha es exactamente lo mismo. Sin embargo, para estos materiales eso no es cierto ".

Esta direccionalidad es un ejemplo de lo que hace que los TMD sean intrigantes para los científicos. porque podría usarse para codificar información.

"Moverse hacia la derecha podría codificarse como 'uno' e ir hacia la izquierda como 'cero, '", Dice Monti." Entonces, si puedo generar electrones que van claramente hacia la derecha, He escrito un montón de y si puedo generar electrones que van ordenadamente hacia la izquierda, He generado un montón de ceros ".

En lugar de aplicar corriente eléctrica, Los ingenieros podrían manipular electrones de esta manera usando luz como un láser, escribir ópticamente, leer y procesar información. Y tal vez algún día incluso sea posible entrelazar ópticamente la información, despejando el camino hacia la computación cuántica.

"Todos los años, cada vez se están produciendo más descubrimientos en estos materiales, "Dice Eads." Están explotando en términos de qué tipo de propiedades electrónicas se pueden observar en ellos. Existe una amplia gama de formas en las que pueden funcionar, de superconductores, de semiconductor a aislante, y posiblemente más ".

La investigación que se describe aquí es solo una forma de sondear lo inesperado, propiedades emocionantes de los cristales TMD en capas, según Monti.

"Si hicieras este experimento en silicio, no verías nada de esto, ", dice." El silicio siempre se comportará como un cristal tridimensional, no importa lo que hagas. Se trata de las capas ".