La instrumentación en Beamline 10.0.1 en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab se utilizó para cultivar y estudiar muestras ultrafinas de un material exótico conocido como bismuturo de sodio. Crédito:Marilyn Chung / Berkeley Lab
Miles de millones de pequeños transistores suministran la potencia de procesamiento en los teléfonos inteligentes modernos, controlando el flujo de electrones con un rápido encendido y apagado.
Pero el progreso continuo en el empaquetado de más transistores en dispositivos más pequeños está empujando hacia los límites físicos de los materiales convencionales. Las ineficiencias comunes en los materiales de los transistores provocan una pérdida de energía que da como resultado la acumulación de calor y una vida útil más corta de la batería. por lo que los investigadores están en la búsqueda de materiales alternativos que permitan que los dispositivos funcionen de manera más eficiente a menor potencia.
Ahora, un experimento realizado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía de EE. UU. ha demostrado, por primera vez, conmutación electrónica en un exótico, material ultrafino que puede transportar una carga con una pérdida casi nula a temperatura ambiente. Los investigadores demostraron este cambio al someter el material a un campo eléctrico de baja corriente.
El equipo, que fue dirigido por investigadores de la Universidad de Monash en Australia e incluyó a científicos de Berkeley Lab, cultivó el material desde cero y lo estudió con rayos X en la fuente de luz avanzada (ALS), una instalación en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab).
El material, conocido como bismuturo de sodio (Na3Bi), es uno de los dos materiales que se sabe que es un "semimetal topológico de Dirac, "lo que significa que tiene propiedades electrónicas únicas que pueden ajustarse para comportarse de diferentes maneras, en algunos casos más como un material convencional y en otros casos más como un material topológico. Sus propiedades topológicas se confirmaron por primera vez en experimentos anteriores en la ALS.
La estructura de Na3Bi se muestra con átomos de sodio blancos y átomos de bismuto azules. Crédito:FLOTA
Los materiales topológicos se consideran candidatos prometedores para transistores de próxima generación, y para otras aplicaciones de electrónica e informática, debido a su potencial para reducir la pérdida de energía y el consumo de energía en los dispositivos. Estas propiedades pueden existir a temperatura ambiente, una distinción importante de los superconductores que requieren un enfriamiento extremo, y pueden persistir incluso cuando los materiales tienen defectos estructurales y están sujetos a tensión.
Los materiales con propiedades topológicas son el foco de una intensa investigación por parte de la comunidad científica global (ver un artículo relacionado), y en 2016 se otorgó el Premio Nobel de Física a las teorías relacionadas con las propiedades topológicas de los materiales.
La facilidad para cambiar el material estudiado en el ALS de un estado eléctricamente conductor a un aislante, o estado no conductor, un buen augurio para sus futuras aplicaciones de transistores, dijo Sung-Kwan Mo, un científico del personal de la ALS que participó en el último estudio. El estudio se detalla en la edición del 10 de diciembre de la revista. Naturaleza .
De izquierda a derecha:Shujie Tang, investigador postdoctoral en Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab; Sung-Kwan Mo, un científico del personal de ALS; y James Collins y Mark Edmonds, investigadores de la Universidad de Monash, se reúnen durante un experimento en ALS Beamline 10.0.1 en noviembre. Crédito:Marilyn Chung / Berkeley Lab
Otro aspecto clave del último estudio es que el equipo de la Universidad de Monash encontró una manera de hacerlo extremadamente delgado, hasta una sola capa dispuesta en un patrón de panal de átomos de sodio y bismuto, y controlar el grosor de cada capa que crean.
"Si quieres hacer un dispositivo, quieres adelgazar "Mo dijo." Este estudio demuestra que se puede hacer para Na3Bi, y sus propiedades eléctricas se pueden controlar fácilmente con baja tensión. Estamos un paso más cerca de un transistor topológico ".
Michael Fuhrer, un físico de la Universidad de Monash que participó en el estudio, dijo, "Este descubrimiento es un paso en la dirección de transistores topológicos que podrían transformar el mundo de la computación".
Él agregó, "La electrónica topológica de energía ultrabaja es una respuesta potencial al creciente desafío de la energía desperdiciada en la informática moderna. La tecnología de la información y las comunicaciones ya consume el 8 por ciento de la electricidad mundial, y eso se duplica cada década ".
James Collins, investigador de la Universidad de Monash en Australia, trabaja en un experimento en Beamline 10.0.1, parte de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. Crédito:Marilyn Chung / Berkeley Lab
En el último estudio, los investigadores cultivaron las muestras de material, midiendo varios milímetros de lado, en una oblea de silicio bajo vacío ultra alto en el ALS Beamline 10.0.1 utilizando un proceso conocido como epitaxia de haz molecular. La línea de luz permite a los investigadores cultivar muestras y luego realizar experimentos en las mismas condiciones de vacío para evitar la contaminación.
Esta línea de luz está especializada para una técnica de rayos X conocida como espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo, o ARPES, que proporcionan información sobre cómo viajan los electrones en los materiales. En materiales topológicos típicos, los electrones fluyen alrededor de los bordes del material, mientras que el resto del material sirve como aislante que evita este flujo.
También se realizaron algunos experimentos de rayos X en muestras similares en el Sincrotrón de Australia para demostrar que el ultrafino Na3Bi era autónomo y no interactuaba químicamente con la oblea de silicio en la que se cultivó. Los investigadores también habían estudiado muestras con un microscopio de túnel de barrido en la Universidad de Monash que ayudó a confirmar otras mediciones.
"En estos caminos de borde, los electrones solo pueden viajar en una dirección, "dijo Mark Edmonds, un físico de la Universidad de Monash que dirigió el estudio. "Y esto significa que no puede haber 'retrodispersión, 'que es lo que causa la resistencia eléctrica en los conductores eléctricos convencionales ".
En este caso, Los investigadores encontraron que el material ultrafino se volvió completamente conductor cuando se sometió al campo eléctrico, y también podría cambiarse para convertirse en un aislante en todo el material cuando se somete a un campo eléctrico ligeramente más alto.
Mo dijo que la conmutación accionada eléctricamente es un paso importante para realizar aplicaciones para materiales; algunos otros esfuerzos de investigación han perseguido mecanismos como el dopaje químico o la tensión mecánica que son más difíciles de controlar y realizar la operación de conmutación.
El equipo de investigación está buscando otras muestras que se puedan encender y apagar de manera similar para guiar el desarrollo de una nueva generación de electrónica de energía ultrabaja. Dijo Edmonds.
