Onderzoekers stimuleren halfgeleiders met magnetische atomen om meer dan 20 nieuwe materialen te creëren

Een nieuwe methode voor het combineren van magnetische elementen met halfgeleiders – die essentiële materialen zijn voor computers en andere elektronische apparaten – werd onthuld door een onderzoeksteam onder leiding van het California Nanosystems Institute bij UCLA.

De onderzoekers demonstreerden het vermogen om halfgeleiderkanalen te produceren die tot 50% magnetische atomen bevatten, terwijl de huidige methoden vaak beperkt zijn tot een concentratie van magnetische atomen niet groter dan 5%. Met behulp van hun proces creëerde het team een bibliotheek van meer dan 20 nieuwe materialen die magnetische elementen zoals kobalt, mangaan en ijzer combineerden met een verscheidenheid aan halfgeleiders.

De studie toonde ook aan dat de nieuwe strategie kon worden gebruikt om magnetische elementen op te nemen in supergeleiders, een klasse materialen waarmee elektronen onder bepaalde omstandigheden zonder weerstand kunnen reizen. Andere experimenten voegden magnetische atomen toe aan topologische isolatoren, die stoffen zijn die zich als isolatoren in hun binnenkant gedragen, maar dat elektronen vrij op hun oppervlak kunnen stromen.

In tests die het gebruik van atomaire beeldvorming- en magnetisatiemetingen omvatten, vonden de onderzoekers bewijs dat de nieuwe materialen gemaakt met supergeleiders en topologische isolatoren hun exotische eigenschappen handhaafden en nieuw magnetisch gedrag ontwikkelden. De studie is gepubliceerd in het dagboek Natuur.

De zoektocht om magnetisme te integreren in halfgeleiders is decennia oud, maar heeft tot nu toe slechts bescheiden succes opgeleverd. Huidige technieken omvatten het vervangen van een klein deel van atomen in halfgeleiders met magnetische atomen. Boven een kritische concentratiedrempel van ongeveer 5%, hebben de magnetische atomen echter de neiging om te kloneren op een manier die de capaciteit ondermijnt om de magnetische en elektronische eigenschappen van de materialen te regelen.

Halfgeleiders met controleerbare magnetische eigenschappen kunnen de basis vormen voor spintronics (technologieën die werken op basis van een eigenschap van elektronen die spin worden genoemd), vergelijkbaar met hoe traditionele elektronica werkt op basis van de lading van elektronen. Spin biedt een nieuwe manier om informatie op te slaan en te verwerken door de richting te gebruiken die een elektron spins – of hetzij “omhoog” of “omlaag” is – zoals kleine barmagneten die naar het noorden of zuiden draaien.

Spintronics worden al gebruikt in technologieën zoals de leeskoppen die gegevens uit de harde schijven in computers en andere apparaten halen. In tegenstelling tot conventionele elektronica produceren spintronische componenten geen overtollige warmte, een belangrijke barrière om meer kracht in kleinere chips te proppen. Door deze beperking te overwinnen, zou spintronics kunnen leiden tot toekomstige apparaten die krachtiger, compacter en energiezuinig zijn, of zelfs die met geheel nieuwe mogelijkheden.

Magnetische materialen geproduceerd met de nieuwe methode kunnen ook dienen als fundamentele materialen voor toekomstige kwantumcomputers. Van dergelijke apparaten wordt verwacht dat ze berekeningen voltooien die momenteel onmogelijk zijn, om complexe natuurlijke fenomenen te simuleren op een niveau dat traditionele computers niet bereiken, en om onbreekbare cybersecurity mogelijk te maken.

De techniek van de onderzoekers omvat het afwisselen van atomisch dunne vellen van de halfgeleiders en zelfgeorganiseerde lagen magnetische atomen samen. Met deze gelaagde architectuur kan elke component zijn geordende regelingen en intrinsieke eigenschappen behouden en tegelijkertijd aanleiding geven tot nieuw collectief gedrag.

Het proces van het team kan een veelzijdig materiaalplatform bieden voor toekomstige spintronic -apparaten die meer kunnen dan hedendaagse elektronica, met superieure energie -efficiëntie. De populaire kunstmatige intelligentiesystemen van vandaag verbruiken bijvoorbeeld enorme hoeveelheden elektriciteit en water; Toekomstige computers die spintronics implementeren, kunnen AI -applicaties organiseren die krachtiger zijn, terwijl de zorgwekkende CO2 -voetafdruk wordt vermeden en op essentiële middelen wordt gedraaid.

Exotische materialen die halfgeleider- of supergeleider -eigenschappen combineren met magnetisme, kunnen ook helpen de temperatuur te verhogen waarop kwantumcomputers werken naar meer praktische niveaus – in tegenstelling tot stroomsystemen die extreem koude omstandigheden vereisen.

Ingevoerd in basisonderzoek, kunnen nieuwe materialen die halfgeleiders en magnetisme combineren, helpen het begrip van fundamentele krachten en interacties te verbeteren die ten grondslag liggen aan niet alleen geavanceerde technologie, maar ook de natuur zelf.