Las láminas bidimensionales de elementos del grupo IV y del grupo V (2D Xenes) son aislantes topológicos. Crédito:FLOTA
Un estudio colaborativo dirigido por la Universidad de Wollongong confirma el mecanismo de conmutación para una nueva generación propuesta de electrónica topológica de energía ultrabaja.
Basados en nuevos materiales topológicos cuánticos, tales dispositivos "cambiarían" un aislador topológico de un estado no conductor (aislante eléctrico convencional) a uno conductor (aislante topológico), por lo que la corriente eléctrica podría fluir a lo largo de sus estados de borde sin desperdiciar energía. /P>
Dicha electrónica topológica podría reducir radicalmente la energía consumida en computación y electrónica, que se estima que consume el 8 % de la electricidad mundial y se duplica cada década.
Dirigido por el Dr. Muhammad Nadeem de la Universidad de Wollongong (UOW), el estudio también aportó la experiencia de los colaboradores del Centro FLEET de la UNSW y la Universidad de Monash.
Resolviendo el desafío de cambio
Los aisladores topológicos bidimensionales son materiales prometedores para dispositivos electrónicos cuánticos topológicos en los que el transporte de estado de borde puede controlarse mediante un campo eléctrico inducido por una puerta.
Sin embargo, un gran desafío con tal conmutación topológica inducida por campo eléctrico ha sido el requisito de un campo eléctrico demasiado grande para cerrar la banda prohibida topológica.
El equipo de investigación interdisciplinario y de nodos cruzados FLEET estudió la dependencia del ancho de las propiedades electrónicas para confirmar que una clase de material conocido como nanocintas zigzag-Xene cumpliría las condiciones necesarias para la operación, a saber:
Zigzag Xenes podría ser clave
El grafeno fue el primer material atómicamente delgado confirmado, una lámina 2D de átomos de carbono (grupo IV) dispuestos en una red de panal. Ahora, las propiedades topológicas y electrónicas están siendo investigadas para láminas de panal similares de materiales del grupo IV y del grupo V, denominados colectivamente 2D-Xenes.
Los 2D-Xenes son aislantes topológicos, es decir, eléctricamente aislantes en su interior pero conductores a lo largo de sus bordes, donde los electrones se transmiten sin disipar energía (similar a un superconductor). Cuando una lámina 2D-Xene se corta en una cinta estrecha terminada en bordes en "zigzag", conocida como nanocintas en zigzag-Xene, conserva los modos de borde conductor característicos de un aislador topológico, que se cree que conservan su capacidad de transportar corriente sin disipación.
Recientemente se ha demostrado que las nanocintas zigzag-Xene tienen potencial para hacer un transistor topológico que puede reducir la energía de conmutación en un factor de cuatro.
La nueva investigación dirigida por UOW encontró lo siguiente:
Mantener estados de borde
Las mediciones indicaron que los estados de borde quirales filtrados por espín en nanocintas de zigzag-Xene permanecen sin espacios y protegidos contra la dispersión hacia atrás que causa resistencia, incluso con una superposición finita entre bordes en cintas ultrafinas (lo que significa que un material Hall de espín cuántico 2D experimenta una fase transición a un metal topológico 1D). Esto es impulsado por los estados de borde que se entrelazan con modos de energía cero impulsados por topología de banda intrínseca.
"Las nanocintas de xeno en zigzag confinadas cuánticamente son una clase especial de materiales aislantes topológicos en los que la brecha de energía de la muestra a granel aumenta con una disminución del ancho, mientras que la conducción del estado del borde permanece robusta contra la disipación, incluso si el ancho se reduce a un cuasi- unidimensional", dice el investigador de FLEET y colaborador en el nuevo estudio, el profesor asociado Dmitrie Culcer (UNSW). "Esta característica de las nanocintas en zigzag-Xene confinadas contrasta marcadamente con otros materiales aislantes topológicos 2D en los que los efectos de confinamiento también inducen una brecha de energía en los estados de borde".
Tensión de umbral bajo
Debido a la capacidad de ajuste dependiente del ancho y del impulso del acoplamiento entre bordes inducido por la puerta, el voltaje de umbral requerido para cambiar entre estados de borde sin espacios y con espacios se reduce a medida que disminuye el ancho del material, sin ningún límite inferior fundamental.
"Una nanocinta de xene en zigzag ultraestrecha puede 'alternar' entre un metal topológico casi unidimensional con estados de borde sin espacios conductores y un aislador ordinario con estados de borde con espacios con un pequeño ajuste de una perilla de voltaje", dice el autor principal, el Dr. Muhammad Nadeem (UOW).
"El ajuste deseado de una perilla de voltaje disminuye con la disminución del ancho de las nanocintas en zigzag-Xene, y un voltaje operativo más bajo significa que el dispositivo puede usar menos energía. La reducción en el ajuste de la perilla de voltaje se produce debido a un efecto cuántico relativista llamado órbita de giro. y contrasta mucho con las nanocintas de Xene en zigzag prístinas que son aislantes ordinarios y en las que el ajuste de la perilla de voltaje deseado aumenta con la disminución del ancho".
Conmutación topológica sin cierre masivo de banda prohibida
Cuando el ancho de las nanocintas de zigzag-Xene es menor que un límite crítico, se puede lograr el cambio topológico entre estados de borde sin cerrar y reabrir la brecha de banda masiva. Esto se debe principalmente al efecto de confinamiento cuántico en el espectro de banda masiva, que aumenta la banda prohibida masiva no trivial con la disminución del ancho.
"Este comportamiento es nuevo y distinto de los aisladores topológicos 2D, donde siempre se requiere el cierre y la reapertura de la banda prohibida para cambiar el estado topológico", dice el profesor Michael Fuhrer (Monash). "Las nanocintas anchas de zigzag-Xene actúan más como el caso 2D, donde el campo eléctrico de la puerta cambia la conductancia del estado del borde mientras cierra y vuelve a abrir simultáneamente la banda prohibida masiva".
"En presencia de acoplamiento espín-órbita, [un] mecanismo de conmutación topológico en nanocintas en zigzag-Xene confinadas de gran espacio anula la sabiduría general de utilizar materiales de espacio estrecho y canal ancho para reducir el voltaje umbral en un análisis de transistor de efecto de campo estándar ”, dice la profesora Xiaolin Wang (UOW).
"Además, [un] transistor de efecto de campo cuántico topológico que utiliza nanocintas de xeno en zigzag como material de canal tiene varias ventajas de las complejidades de ingeniería involucradas en el diseño y la fabricación", dice el profesor Alex Hamilton (UNSW).
A diferencia de la tecnología MOSFET, en la que la dependencia del tamaño de la tensión de umbral está enredada con las técnicas de aislamiento, la reducción de la tensión de umbral en un transistor de efecto de campo cuántico topológico es una propiedad intrínseca de las nanocintas de zigzag-Xene asociadas con funcionalidades mecánicas cuánticas y topológicas. /P>
Junto con los mecanismos de conmutación y conducción muy diferentes, los aspectos tecnológicos necesarios para fabricar un transistor de efecto de campo cuántico topológico con nanocintas de xeno en zigzag también difieren radicalmente de los de los MOSFET:no existe un requisito fundamental de técnicas tecnológicas/de aislamiento especializadas para un bajo voltaje TQFET con un mecanismo de conmutación energéticamente eficiente.
Con la solidez topológica del estado ON preservada y el voltaje de umbral mínimo, el ancho del canal se puede reducir a una dimensión casi única. Esto permite una geometría optimizada para un transistor de efecto de campo cuántico topológico con una relación señal/ruido mejorada a través de múltiples canales de estado de borde. Cambiar el modo de conducción:un paso hacia los transistores topológicos
