’s Werelds dunste technologie – slechts twee atomen dik

Onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv hebben ’s werelds kleinste technologie ontwikkeld, met een dikte van slechts twee atomen. Volgens de onderzoekers stelt de nieuwe technologie een manier voor om elektrische informatie op te slaan in de dunste eenheid die de wetenschap kent, in een van de meest stabiele en inerte materialen in de natuur. De toegestane kwantummechanische elektronentunneling door de atomair dunne film kan het leesproces van informatie een boost geven die veel verder gaat dan de huidige technologieën.

Het onderzoek werd uitgevoerd door wetenschappers van de Raymond en Beverly Sackler School of Physics and Astronomy en Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry. De groep omvat Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, Dr. Wei Cao, Dr. Iftach Nevo, Prof. Eran Sela, Prof. Michael Urbakh, Prof. Oded Hod en Dr. Moshe Ben Shalom. Het werk is nu gepubliceerd in Wetenschap tijdschrift.

“Ons onderzoek komt voort uit nieuwsgierigheid naar het gedrag van atomen en elektronen in vaste materialen, wat heeft geleid tot veel van de technologieën die onze moderne manier van leven ondersteunen”, zegt Dr. Shalom. “Wij (en vele andere wetenschappers) proberen de fascinerende eigenschappen van deze deeltjes te begrijpen, te voorspellen en zelfs te beheersen terwijl ze condenseren tot een geordende structuur die we een kristal noemen. In het hart van de computer ligt bijvoorbeeld een piepklein kristallijn apparaat ontworpen om te schakelen tussen twee toestanden die verschillende antwoorden aangeven – ‘ja’ of ‘nee’, ‘omhoog’ of ‘omlaag’ enz. Zonder deze tweedeling is het niet mogelijk om informatie te coderen en te verwerken. De praktische uitdaging is om een ​​mechanisme te vinden dat het mogelijk maakt om een ​​klein, snel en goedkoop apparaat in te schakelen.”

De huidige ultramoderne apparaten bestaan ​​uit minuscule kristallen die slechts ongeveer een miljoen atomen bevatten (ongeveer honderd atomen in hoogte, breedte en dikte), zodat een miljoen van deze apparaten ongeveer een miljoen keer in het gebied kunnen worden geperst van één munt, waarbij elk apparaat met een snelheid van ongeveer een miljoen keer per seconde schakelt.

Na de technologische doorbraak waren de onderzoekers voor het eerst in staat om de dikte van de kristallijne apparaten te verminderen tot slechts twee atomen. Dr. Shalom benadrukt dat zo’n dunne structuur herinneringen op basis van het kwantumvermogen van elektronen in staat stelt om snel en efficiënt door barrières te springen die slechts enkele atomen dik zijn. Het kan dus elektronische apparaten aanzienlijk verbeteren in termen van snelheid, dichtheid en energieverbruik.

In het onderzoek gebruikten de onderzoekers een tweedimensionaal materiaal: één atoom dikke lagen boor en stikstof, gerangschikt in een zich herhalende zeshoekige structuur. In hun experiment waren ze in staat om de symmetrie van dit kristal te doorbreken door twee van dergelijke lagen kunstmatig samen te voegen. “In zijn natuurlijke driedimensionale staat bestaat dit materiaal uit een groot aantal lagen die op elkaar zijn geplaatst, waarbij elke laag 180 graden is gedraaid ten opzichte van zijn buren (antiparallelle configuratie)”, zegt Dr. Shalom. “In het laboratorium waren we in staat om de lagen kunstmatig in een parallelle configuratie te stapelen zonder rotatie, wat hypothetisch atomen van dezelfde soort in perfecte overlap plaatst ondanks de sterke afstotende kracht ertussen (als gevolg van hun identieke ladingen). In feite het kristal geeft er echter de voorkeur aan om de ene laag een beetje ten opzichte van de andere te schuiven, zodat slechts de helft van de atomen van elke laag elkaar perfect overlappen, en de atomen die elkaar wel overlappen van tegengestelde ladingen zijn – terwijl alle andere zich boven of onder een lege ruimte – het midden van de zeshoek. In deze kunstmatige stapelconfiguratie zijn de lagen behoorlijk van elkaar te onderscheiden. Als in de bovenste laag bijvoorbeeld alleen de booratomen elkaar overlappen, is het in de onderste laag andersom.”

Dr. Shalom belicht ook het werk van het theorieteam, dat talloze computersimulaties heeft uitgevoerd. “Samen hebben we een diep begrip gekregen van waarom de elektronen van het systeem zichzelf rangschikken zoals we in het laboratorium hadden gemeten. Dankzij dit fundamentele begrip verwachten we fascinerende reacties in ook andere symmetrie-gebroken gelaagde systemen”, zegt hij.

Maayan Wizner Stern, de Ph.D. student die de studie leidde, legt uit dat “de symmetriebreking die we in het laboratorium hebben gecreëerd, die niet bestaat in het natuurlijke kristal, de elektrische lading dwingt om zichzelf tussen de lagen te reorganiseren en een kleine interne elektrische polarisatie loodrecht op het laagvlak te genereren. Wanneer we een extern elektrisch veld in de tegenovergestelde richting toepassen, schuift het systeem zijwaarts om de polarisatieoriëntatie te veranderen. De geschakelde polarisatie blijft stabiel, zelfs wanneer het externe veld is uitgeschakeld. Hierin is het systeem vergelijkbaar met dikke driedimensionale ferro-elektrische systemen, die worden tegenwoordig veel gebruikt in de technologie.”

“Het vermogen om een ​​kristallijne en elektronische opstelling in zo’n dun systeem te forceren, met unieke polarisatie- en inversie-eigenschappen als gevolg van de zwakke Van der Waals-krachten tussen de lagen, is niet beperkt tot het boor- en stikstofkristal”, voegt Dr. Shalom toe. “We verwachten hetzelfde gedrag in veel gelaagde kristallen met de juiste symmetrie-eigenschappen. Het concept van tussenlaagschuiven als een originele en efficiënte manier om geavanceerde elektronische apparaten te besturen is veelbelovend, en we hebben het Slide-Tronics genoemd.”

Stern concludeert dat ze “enthousiast zijn om te ontdekken wat er kan gebeuren in andere staten die we aan de natuur opdringen en voorspellen dat andere structuren die extra vrijheidsgraden koppelen mogelijk zijn. We hopen dat miniaturisatie en flippen door glijden de hedendaagse elektronische apparaten zullen verbeteren, en bovendien, andere originele manieren mogelijk te maken om informatie in toekomstige apparaten te controleren. Naast computerapparatuur verwachten we dat deze technologie zal bijdragen aan detectoren, energieopslag en -conversie, interactie met licht, enz. Onze uitdaging, zoals wij het zien, is om meer te ontdekken kristallen met nieuwe en glibberige vrijheidsgraden.”