Mapa de inhomogeneidades de carga, conocido como "charcos de carga". Crédito:Centro de excelencia ARC en tecnologías futuras de electrónica de bajo consumo energético
Los investigadores han descubierto que el material topológico bismuturo de trisodio (Na 3 Bi) se puede fabricar para que sea tan 'electrónicamente suave' como la alternativa basada en grafeno de la más alta calidad, mientras se mantiene la alta movilidad de electrones del grafeno.
N / A 3 Bi es un semimetal de Dirac topológico (TDS), considerado un equivalente tridimensional del grafeno en el sentido de que muestra la misma movilidad de electrones extraordinariamente alta.
En grafeno, como en un TDS, los electrones se mueven a velocidad constante, independiente de su energía.
Esta alta movilidad de electrones es muy deseable en materiales investigados para electrónica de conmutación rápida. El flujo de electrones en el grafeno puede ser, teóricamente, 100 veces más rápido que en silicio.
Sin embargo, en la práctica existen limitaciones para la notable movilidad de los electrones del grafeno, impulsado por la naturaleza bidimensional del material.
Aunque el grafeno en sí mismo puede ser extremadamente puro, es demasiado endeble para usarlo como material independiente, y debe estar encuadernado con otro material. Y como el grafeno es atómicamente delgado, las impurezas en ese sustrato pueden causar desorden electrónico dentro del grafeno.
Tales inhomogeneidades microscópicas, conocido como 'charcos de carga', limitar la movilidad de los portadores de carga.
En la práctica, esto significa que los dispositivos basados en grafeno deben construirse minuciosamente con una hoja de grafeno colocada sobre un material de sustrato que minimice tal desorden electrónico. El nitruro de boro hexagonal (h-BN) se usa comúnmente para este propósito.
Pero ahora, Los investigadores del centro de investigación FLEET de Australia han descubierto que el bismuturo trisódico (Na 3 Bi) cultivados en sus laboratorios en la Universidad de Monash son tan suaves electrónicamente como el grafeno / h-BN de la más alta calidad.
Es un logro significativo dice el investigador principal, el Dr. Mark Edmonds. "Esta es la primera vez que se mide un material Dirac 3D de tal manera, "Dice el Dr. Edmonds." Y estamos emocionados de haber encontrado un grado tan alto de suavidad electrónica en este material ".
El descubrimiento será fundamental para el avance del estudio de este nuevo material topológico, que podría tener amplias aplicaciones en electrónica. "Es imposible saber cuántos campos de investigación podría abrir, ", dice el Dr. Edmonds." El mismo hallazgo en grafeno / h-BN provocó considerables estudios complementarios en 2011 ".
Con la suavidad electrónica de Na3Bi ahora demostrada, se abre una serie de otras posibilidades de investigación. Se han realizado muchos estudios sobre el flujo relativista (alta movilidad) de electrones en el grafeno desde que fue descubierto en 2004. Con este último estudio, Se pueden esperar estudios similares sobre Na3Bi.
N / A 3 Bi ofrece una serie de ventajas interesantes sobre el grafeno.
Además de evitar los difíciles métodos de construcción que implican los dispositivos de grafeno bicapa / h-BN, N / A 3 Bi se puede cultivar en una escala milimétrica o más grande. En la actualidad, el grafeno-h-BN se limita a unos pocos micrómetros.
La estructura del bismuturo trisódico se muestra con átomos de sodio blancos y átomos de bismuto verde azulado. Crédito:Centro de excelencia ARC en tecnologías futuras de electrónica de bajo consumo energético
Otra ventaja significativa es la posibilidad de utilizar Na 3 Bi como canal conductor en una nueva generación de transistores, uno construido sobre la ciencia de los aislantes topológicos. El estudio fue publicado en Avances de la ciencia en diciembre de 2017.
Próximos pasos y transistores topológicos
"El descubrimiento de Las películas delgadas de TDS son un paso importante hacia los transistores topológicos conmutables, "dice el director de FLEET, el profesor Michael Fuhrer.
"El grafeno es un director fantástico, pero no se puede 'apagar', o controlado, "dice el profesor Fuhrer." Materiales topológicos, como Na 3 Bi, se puede cambiar de aislante convencional a aislante topológico mediante la aplicación de voltaje o campo magnético ".
Los aislantes topológicos son materiales novedosos que se comportan como aislantes eléctricos en su interior, pero pueden llevar una corriente a lo largo de sus bordes. A diferencia de una ruta eléctrica convencional, tales trayectorias de borde topológicas pueden transportar corriente eléctrica con una disipación de energía casi nula, lo que significa que los transistores topológicos pueden cambiar sin quemar energía.
Los materiales topológicos fueron reconocidos en el Premio Nobel de Física del año pasado.
Los transistores topológicos 'cambiarían', como un transistor tradicional. La aplicación de un potencial de puerta cambiaría las rutas de los bordes en un Na 3 Bicanal entre ser un aislante topológico ('encendido') y un aislante convencional ('apagado').
El panorama general:el uso de energía en la computación
El desafío principal es la creciente cantidad de energía utilizada en la computación y la tecnología de la información (TI).
Cada vez que un transistor cambia, se quema una pequeña cantidad de energía, y con billones de transistores cambiando miles de millones de veces por segundo, esta energía se suma. Ya, la energía consumida en la computación representa el 5 por ciento del uso global de electricidad, y se duplica cada década.
Durante muchos años, las demandas de energía de un número de cálculos exponencialmente creciente se mantuvieron bajo control mediante un sistema cada vez más eficiente, y chips de computadora cada vez más compactos, un efecto relacionado con la Ley de Moore. Pero a medida que se acercan los límites de la física fundamental, La ley de Moore está terminando y se pueden encontrar eficiencias futuras limitadas.
"Para que la computación siga creciendo, para mantenerse al día con las demandas cambiantes, necesitamos una electrónica más eficiente, ", dice el profesor Michael Fuhrer." Necesitamos un nuevo tipo de transistor que queme menos energía cuando cambia ".
"Este descubrimiento podría ser un paso en la dirección de los transistores topológicos que transforman el mundo de la computación".
El estudio se publica en Avances de la ciencia .
