Un team dell’Università del Minnesota ha, per la prima volta, sintetizzato un film sottile di un materiale semimetallico topologico unico che ha il potenziale per generare più potenza di calcolo e spazio di memoria mentre utilizza significativamente meno energia. I ricercatori sono stati anche in grado di studiare da vicino il materiale, portando ad alcune importanti scoperte sulla fisica alla base delle sue proprietà uniche.
Lo studio è pubblicato in Comunicazioni sulla natura.
Come evidenziato dal recente CHIPS and Science Act degli Stati Uniti, c’è una crescente necessità di aumentare la produzione di semiconduttori e sostenere la ricerca per lo sviluppo dei materiali che alimentano i dispositivi elettronici ovunque. Mentre i semiconduttori tradizionali sono la tecnologia alla base della maggior parte dei chip per computer di oggi, scienziati e ingegneri sono sempre alla ricerca di nuovi materiali in grado di generare più potenza con meno energia per rendere l’elettronica migliore, più piccola e più efficiente.
Uno di questi candidati per questi chip per computer nuovi e migliorati è una classe di materiali quantistici chiamati semimetalli topologici. Gli elettroni in questi materiali si comportano in modi diversi, conferendo ai materiali proprietà uniche che i tipici isolanti e metalli utilizzati nei dispositivi elettronici non hanno. Per questo motivo, vengono esplorati per l’uso in dispositivi spintronici, un’alternativa ai tradizionali dispositivi a semiconduttore che sfruttano lo spin degli elettroni piuttosto che la carica elettrica per memorizzare dati ed elaborare informazioni.
In questo nuovo studio, un team interdisciplinare di ricercatori dell’Università del Minnesota è stato in grado di sintetizzare con successo un materiale come un film sottile e dimostrare che ha il potenziale per alte prestazioni con un basso consumo energetico.
“Questa ricerca mostra che è possibile passare da un isolante topologico debole a un semimetallo topologico utilizzando una strategia di drogaggio magnetico”, ha affermato Jian-Ping Wang, autore senior dell’articolo e professore presso il College of Science and Engineering. “Stiamo cercando modi per prolungare la durata dei nostri dispositivi elettrici e allo stesso tempo ridurre il consumo di energia, e stiamo cercando di farlo in modi non tradizionali e pronti all’uso”.
I ricercatori lavorano da anni su materiali topologici, ma il team U of M è il primo a utilizzare un processo di sputtering brevettato e compatibile con l’industria per creare questo semimetallo in un formato di film sottile. Poiché il loro processo è compatibile con l’industria, ha affermato Wang, la tecnologia può essere adottata e utilizzata più facilmente per la produzione di dispositivi del mondo reale.
“Ogni giorno usiamo dispositivi elettronici, dai nostri telefoni cellulari alle lavastoviglie ai forni a microonde. Tutti usano patatine. Tutto consuma energia “, ha affermato Andre Mkhoyan, autore senior dell’articolo e professore presso il College of Science and Engineering. “La domanda è: come riduciamo al minimo il consumo di energia? Questa ricerca è un passo in quella direzione. Stiamo inventando una nuova classe di materiali con prestazioni simili o spesso migliori, ma che utilizzano molta meno energia”.
Poiché i ricercatori hanno fabbricato un materiale di così alta qualità, sono stati anche in grado di analizzare da vicino le sue proprietà e ciò che lo rende così unico.
“Uno dei principali contributi di questo lavoro dal punto di vista della fisica è che siamo stati in grado di studiare alcune delle proprietà più fondamentali di questo materiale”, ha affermato Tony Low, autore senior dell’articolo e professore associato presso il College of Science e ingegneria. “Normalmente, quando si applica un campo magnetico, la resistenza longitudinale di un materiale aumenterà, ma in questo particolare materiale topologico abbiamo previsto che diminuisse. Siamo stati in grado di corroborare la nostra teoria ai dati di trasporto misurati e confermare che esiste effettivamente una resistenza negativa».
Low, Mkhoyan e Wang lavorano insieme da più di un decennio su materiali topologici per dispositivi e sistemi elettronici di nuova generazione: questa ricerca non sarebbe stata possibile senza combinare le rispettive competenze in teoria e calcolo, crescita e caratterizzazione dei materiali e fabbricazione del dispositivo.
“Non solo ci vuole una visione stimolante, ma anche una grande pazienza nelle quattro discipline e un gruppo dedicato di membri del team per lavorare su un argomento così importante ma stimolante, che potenzialmente consentirà la transizione della tecnologia dal laboratorio all’industria”, ha affermato Wang. .
Fonte: Università del Minnesota
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