I ricercatori hanno scoperto che il materiale topologico bismuto trisodico (Na ₃ Bi) può essere prodotto per essere "elettronicamente liscio" come l'alternativa a base di grafene di altissima qualità, mantenendo l'elevata mobilità degli elettroni del grafene.

N / A ₃ Bi è un semimetallo di Dirac topologico (TDS), considerato un equivalente 3D del grafene in quanto mostra la stessa mobilità degli elettroni straordinariamente elevata.

Nel grafene, come in un TDS, gli elettroni si muovono a velocità costante, indipendente dalla loro energia.

Questa elevata mobilità degli elettroni è altamente desiderabile nei materiali studiati per l'elettronica a commutazione rapida. Il flusso di elettroni nel grafene può essere, teoricamente, 100 volte più veloce del silicio.

Tuttavia in pratica ci sono limitazioni alla notevole mobilità degli elettroni del grafene, guidato dalla natura bidimensionale del materiale.

Sebbene il grafene stesso possa essere estremamente puro, è troppo fragile da usare come materiale a sé stante, e deve essere legato con altro materiale. E poiché il grafene è atomicamente sottile, le impurità in quel substrato sono in grado di causare disordini elettronici all'interno del grafene.

Tali microscopiche disomogeneità, noto come "pozzanghere di carica", limitare la mobilità dei portatori di carica.

In pratica, ciò significa che i dispositivi a base di grafene devono essere accuratamente costruiti con un foglio di grafene posto su un materiale di substrato che riduce al minimo tale disturbo elettronico. Il nitruro di boro esagonale (h-BN) è comunemente usato per questo scopo.

Ma ora, ricercatori del centro di ricerca FLEET in Australia hanno scoperto che il bismuto di trisodio (Na ₃ Bi) coltivate nei loro laboratori alla Monash University sono elettronicamente lisce come il grafene/h-BN della più alta qualità.

È un traguardo importante, dice il ricercatore capo Dr Mark Edmonds. "Questa è la prima volta che un materiale Dirac 3D è stato misurato in questo modo, "Dice il dottor Edmonds. "E siamo entusiasti di aver trovato un così alto grado di levigatezza elettronica in questo materiale".

La scoperta sarà fondamentale per l'avanzamento dello studio di questo nuovo materiale topologico, che potrebbe avere ampie applicazioni in elettronica. "È impossibile sapere quanti campi di ricerca questo potrebbe aprire, " afferma il dott. Edmonds. "La stessa scoperta nel grafene/h-BN ha suscitato notevoli studi supplementari nel 2011".

Con l'uniformità elettronica di Na3Bi ora dimostrata, si aprono una serie di altre possibilità di ricerca. Ci sono stati molti studi sul flusso relativistico (alta mobilità) di elettroni nel grafene da quando è stato scoperto nel 2004. Con questo ultimo studio, ci si possono aspettare studi simili su Na3Bi.

N / A ₃ Bi offre una serie di vantaggi interessanti rispetto al grafene.

Oltre a evitare i difficili metodi di costruzione coinvolti nei dispositivi a doppio strato grafene/h-BN, N / A ₃ Bi può essere coltivato su una scala millimetrica o più grande. Attualmente, grafene-h-BN è limitato a pochi micrometri.

Un altro vantaggio significativo è la possibilità di utilizzare Na ₃ Bi come canale conduttivo in una nuova generazione di transistor, costruita sulla scienza degli isolanti topologici. Lo studio è stato pubblicato su Progressi scientifici nel dicembre 2017.

Passi successivi e transistor topologici

"La scoperta dell'elettronicamente liscia, i film sottili di TDS sono un passo importante verso i transistor topologici commutabili, ", afferma il direttore della FLOTTA, il prof. Michael Fuhrer.

"Il grafene è un conduttore fantastico, ma non può essere "spento", o controllato, " dice il prof Fuhrer. "Materiali topologici, come Na ₃ Bi, può essere commutato da isolante convenzionale a isolante topologico mediante l'applicazione di tensione o campo magnetico."

Gli isolanti topologici sono nuovi materiali che si comportano come isolanti elettrici al loro interno, ma possono portare una corrente lungo i loro bordi. A differenza di un percorso elettrico convenzionale, tali percorsi di bordo topologici possono trasportare corrente elettrica con dissipazione di energia prossima allo zero, il che significa che i transistor topologici possono commutare senza bruciare energia.

I materiali topologici sono stati riconosciuti nel Premio Nobel per la fisica dello scorso anno.

I transistor topologici "commutano", proprio come un transistor tradizionale. L'applicazione di un potenziale di porta scambierebbe i percorsi dei bordi in un Na ₃ Bi-canale tra l'essere un isolante topologico ('on') e un isolante convenzionale ('off').

Il quadro più ampio:l'uso dell'energia nel calcolo

La sfida principale è la crescente quantità di energia utilizzata nel calcolo e nella tecnologia dell'informazione (IT).

Ogni volta che un transistor commuta, una piccola quantità di energia viene bruciata, e con trilioni di transistor che commutano miliardi di volte al secondo, questa energia si somma. Già, l'energia bruciata nel calcolo rappresenta il 5% del consumo globale di elettricità, e raddoppia ogni decennio.

Per molti anni, il fabbisogno energetico di un numero esponenzialmente crescente di computazioni è stato tenuto sotto controllo da sempre più efficienti, e chip per computer sempre più compatti - un effetto correlato alla legge di Moore. Ma quando ci si avvicina ai limiti fondamentali della fisica, La legge di Moore sta finendo, e ci sono limitate efficienze future da trovare.

"Affinché il calcolo continui a crescere, per stare al passo con le mutevoli esigenze, abbiamo bisogno di un'elettronica più efficiente, " afferma il prof. Michael Fuhrer. "Abbiamo bisogno di un nuovo tipo di transistor che bruci meno energia quando cambia".

"Questa scoperta potrebbe essere un passo nella direzione dei transistor topologici che trasformano il mondo della computazione".

Lo studio è pubblicato su Progressi scientifici .