Un equipo de investigación ha sintetizado una fina película de un nuevo material topológico semimetálico, que promete mayor potencia informática y almacenamiento con menor uso de energía. Su proceso de fabricación único cumple con las normas de la industria y un estudio minucioso del material ha revelado importantes conocimientos sobre sus propiedades sin precedentes.
Investigadores de la Universidad de Minnesota crean con éxito por primera vez una única película delgada semimetálica.
Por primera vez, un equipo de la Universidad de Minnesota Twin Cities ha sintetizado una película delgada de un material semimetálico topológico único que tiene el potencial de generar más potencia informática y almacenamiento de memoria utilizando significativamente menos energía. Además, el examen detenido del material por parte del equipo arrojó conocimientos cruciales sobre la física detrás de sus propiedades únicas.
El estudio fue publicado recientemente en la revista Nature Communications.
Como lo demuestra la reciente Ley CHIPS y Ciencia de los Estados Unidos, existe una creciente necesidad de aumentar la producción de semiconductores y apoyar la investigación destinada a desarrollar materiales que alimenten dispositivos electrónicos en todo el mundo. Aunque los semiconductores tradicionales son la tecnología detrás de la mayoría de los chips de computadora actuales, los científicos e ingenieros siempre están buscando nuevos materiales que puedan generar más energía con menos energía para hacer que la electrónica sea mejor, más pequeña y más eficiente.
Uno de los candidatos para estos chips de computadora nuevos y mejorados es una clase de materiales cuánticos llamados semimetales topológicos. Los electrones de estos materiales se comportan de diferentes maneras, lo que les confiere propiedades únicas que los aislantes y metales típicos utilizados en dispositivos electrónicos no tienen. Por esta razón, se están explorando su uso en dispositivos espintrónicos, una alternativa a los dispositivos semiconductores tradicionales que aprovechan el giro de los electrones en lugar de la carga eléctrica para almacenar datos y procesar información.
En este nuevo estudio, un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de Minnesota pudo sintetizar con éxito este material como una película delgada y demostrar que tiene potencial para un alto rendimiento con un bajo consumo de energía.
«Esta investigación muestra por primera vez que es posible hacer la transición de un aislante topológico débil a un semimetal topológico utilizando una estrategia de dopaje magnético», dijo Jian-Ping Wang, autor principal del artículo y presidente de McKnight y Robert F. Hartmann en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. «Estamos buscando formas de extender la vida útil de nuestros dispositivos eléctricos y al mismo tiempo reducir el consumo de energía, y estamos tratando de hacerlo de maneras no tradicionales e innovadoras».
Los investigadores han estado trabajando en materiales topológicos durante años, pero el equipo de la Universidad de Minnesota es el primero en utilizar un proceso de pulverización catódica patentado y compatible con la industria para crear este semimetal en un formato de película delgada. Debido a que su proceso es compatible con la industria, dijo Wang, la tecnología se puede adoptar y utilizar más fácilmente en la fabricación de dispositivos del mundo real.
“Todos los días de nuestras vidas utilizamos dispositivos electrónicos, desde nuestros teléfonos móviles hasta lavavajillas y microondas. Todos usan chips. Todo utiliza energía”, dijo Andre Mkhoyan, autor principal del artículo y catedrático Ray D. y Mary T. Johnson y profesor del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota. “La pregunta es: ¿cómo podemos minimizar este consumo de energía? Esta investigación es un paso en esa dirección. Estamos creando una nueva clase de materiales con un rendimiento similar o muchas veces mejor, pero que utilizan mucha menos energía”.
Como los investigadores fabricaron un material de tan alta calidad, también pudieron observar más de cerca sus propiedades y lo que lo hace tan único.
«Una de las principales contribuciones de este trabajo desde una perspectiva física es que pudimos estudiar algunas de las propiedades más fundamentales de este material», dijo Tony Low, autor principal del artículo y profesor asociado Paul Palmberg en la Universidad. del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Minnesota. “Normalmente, cuando se aplica un campo magnético, la resistencia longitudinal de un material aumenta, pero en este material topológico en particular predijimos que disminuiría. Pudimos corroborar nuestra teoría con los datos de transporte medidos y confirmar que efectivamente existe una resistencia negativa”.
Low, Mkhoyan y Wang han trabajado juntos durante más de una década en materiales topológicos para dispositivos y sistemas electrónicos de próxima generación; esta investigación no habría sido posible sin combinar sus respectivas experiencias en teoría y computación, crecimiento y caracterización de materiales, y desarrollo de dispositivos. fabricación. .
“No sólo se necesita una visión inspiradora, sino también mucha paciencia en las cuatro disciplinas y un grupo dedicado de miembros del equipo para trabajar en un tema tan importante pero desafiante que potencialmente permitirá que la tecnología pase del laboratorio a la industria. «, dijo Wang. .
Referencia: “Magnetorresistencia longitudinal negativa robusta y par de órbita de espín en semimetal topológico Pt3Sn y Pt3SnxFe1-x pulverizado” por Delin Zhang, Wei Jiang, Hwanhui Yun, Onri Jay Benally, Thomas Peterson, Zach Cresswell, Yihong Fan, Yang Lv, Guichuan Yu , Javier García Barriocanal, Przemyslaw Wojciech Swatek, K. Andre Mkhoyan, Tony Low y Jian-Ping Wang, 12 de julio de 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-39408-2
Además de Low, Mkhoyan y Wang, el equipo de investigación incluyó a los investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota, Delin Zhang, Wei Jiang, Onri Benally, Zach Cresswell, Yihong Fan, Yang Lv y Przemyslaw Swatek; Investigador del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales, Hwanhui Yun; el investigador del Departamento de Física y Astronomía Thomas Peterson; y los investigadores del Centro de Caracterización de la Universidad de Minnesota, Guichuan Yu y Javier Barriocanal.
Esta investigación cuenta con el apoyo de SMART, uno de los siete centros de nCORE, un programa de Semiconductor Research Corporation, patrocinado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). TP y DZ contaron con el apoyo parcial de ASCENT, uno de los seis centros de JUMP, un programa de Semiconductor Research Corporation patrocinado por MARCO y DARPA. Este trabajo fue apoyado en parte por el programa del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales (MRSEC) de la Universidad de Minnesota con el número de premio DMR-2011401 (Seed). Partes de este trabajo se realizaron en el Centro de Caracterización de Ciudades Gemelas de la Universidad de Minnesota, que recibe apoyo parcial de la Fundación Nacional de Ciencias a través de MRSEC (número de premio DMR-2011401). Partes de este trabajo se realizaron en el Nano Center de Minnesota, que cuenta con el apoyo de la Red de Infraestructura Nano Coordinada (NNCI) de NSF con el número de adjudicación ECCS-2025124.