La moda sta cambiando nel mondo all'avanguardia dei materiali per componenti per computer di nuova generazione. I semiconduttori tradizionali come il silicio stanno rilasciando le loro ultime nuove linee. Stanno arrivando materiali esotici chiamati isolanti topologici (TI). E quando si tratta di raffreddare, l'azoto è il nuovo elio.

Questo è stato chiaramente mostrato in un nuovo esperimento presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) che è stato eseguito da una collaborazione multi-istituzionale tra cui UCLA, NIST e il Beijing Institute of Technology in Cina.

Gli isolanti topologici sono una nuova classe di materiali che sono stati scoperti meno di un decennio fa dopo precedenti lavori teorici, riconosciuto nel 2016 Premio Nobel per la fisica, previsto che potessero esistere. I materiali sono isolanti elettrici all'interno e conducono elettricità sulla superficie esterna. Sono entusiasmanti per i progettisti di computer perché la corrente elettrica li attraversa senza spargere calore, il che significa che i componenti realizzati con essi potrebbero ridurre l'elevata produzione di calore che affligge i computer moderni. Potrebbero anche essere imbrigliati un giorno nei computer quantistici, che sfrutterebbero proprietà meno note degli elettroni, come il loro giro, per fare calcoli in modi completamente nuovi. Quando i TI conducono elettricità, tutti gli elettroni che fluiscono in una direzione hanno lo stesso spin, una proprietà utile che i progettisti di computer quantistici potrebbero sfruttare.

Le proprietà speciali che rendono i TI così interessanti per i tecnologi vengono solitamente osservate solo a temperature molto basse, tipicamente richiedono elio liquido per raffreddare i materiali. Non solo questa richiesta di freddo estremo rende improbabile che i TI trovino impiego nell'elettronica fino a quando questo problema non viene superato, ma rende anche difficile studiarli in primo luogo.

Per di più, rendere magnetici i TI è la chiave per sviluppare con essi nuovi ed entusiasmanti dispositivi informatici. Ma anche portarli al punto in cui possono essere magnetizzati è un processo laborioso. Due modi per farlo sono stati infondere, o "droga, " il TI con una piccola quantità di metallo magnetico e/o per impilare sottili strati di TI tra strati alternati di un materiale magnetico noto come ferromagnete. Tuttavia, aumentare il drogaggio per spingere la temperatura più in alto interrompe le proprietà TI, mentre il magnetismo più potente degli strati alternati può sopraffare i TI, rendendoli difficili da studiare.

Per aggirare questi problemi, Gli scienziati dell'UCLA hanno provato una sostanza diversa per gli strati alternati:un antiferromagnete. A differenza dei magneti permanenti del tuo frigorifero, i cui atomi hanno tutti i poli nord che puntano nella stessa direzione, i materiali antiferromagnetici multistrato (AFM) avevano i poli nord che puntavano in una direzione in uno strato, e il modo opposto nel livello successivo. Poiché il magnetismo di questi strati si annulla a vicenda, l'AFM complessivo non ha magnetismo netto, ma un singolo strato delle sue molecole lo fa. Era lo strato più esterno dell'AFM che il team dell'UCLA sperava di sfruttare.

Fortunatamente, hanno scoperto che l'influenza dello strato più esterno magnetizza il TI, ma senza la forza travolgente che i materiali magnetici utilizzati in precedenza avrebbero portato. E hanno scoperto che il nuovo approccio ha permesso ai TI di diventare magnetici e di dimostrare tutti gli allettanti tratti distintivi del TI a temperature molto superiori a 77 Kelvin, ancora troppo fredde per essere utilizzate come componenti di elettronica di consumo, ma abbastanza caldo da consentire agli scienziati di utilizzare l'azoto per raffreddarli.

"Li rende molto più facili da studiare, " afferma Alex Grutter del NIST Center for Neutron Research, che ha collaborato con gli scienziati dell'UCLA per chiarire le interazioni tra gli strati complessivi del materiale e la sua struttura di spin.

"Non solo possiamo esplorare più facilmente le proprietà dei TI, ma siamo eccitati perché per un fisico, trovare un modo per aumentare la temperatura operativa suggerisce drammaticamente che potrebbero esserci altri modi accessibili per aumentarla di nuovo. Ad un tratto, i TI a temperatura ambiente non sembrano così irraggiungibili."