I fogli bidimensionali degli elementi del gruppo IV e del gruppo V (Xenes 2D) sono isolanti topologici. Credito:FLOTTA
Uno studio collaborativo condotto dall'Università di Wollongong conferma il meccanismo di commutazione per una nuova generazione proposta di elettronica topologica a bassissima energia.
Basati su nuovi materiali topologici quantistici, tali dispositivi "commutano" un isolante topologico da uno stato non conduttivo (isolante elettrico convenzionale) a uno stato conduttivo (isolante topologico), per cui la corrente elettrica potrebbe fluire lungo i suoi stati marginali senza sprecare dissipazione di energia.
Tale elettronica topologica potrebbe ridurre radicalmente l'energia consumata nell'informatica e nell'elettronica, che si stima consumi l'8% dell'elettricità globale e che sta raddoppiando ogni decennio.
Guidato dal Dr. Muhammad Nadeem dell'Università di Wollongong (UOW), lo studio ha anche portato l'esperienza dei collaboratori del FLEET Center presso l'UNSW e l'Università di Monash.
Risolvere la sfida del cambio
Gli isolanti topologici bidimensionali sono materiali promettenti per dispositivi elettronici quantistici topologici in cui il trasporto dello stato marginale può essere controllato da un campo elettrico indotto dal gate.
Tuttavia, una delle principali sfide con tale commutazione topologica indotta da un campo elettrico è stata la necessità di un campo elettrico irrealisticamente ampio per chiudere il gap di banda topologico.
Il team di ricerca FLEET cross-node e interdisciplinare ha studiato la dipendenza dalla larghezza delle proprietà elettroniche per confermare che una classe di materiale nota come nanonastri a zigzag-Xene soddisferebbe le condizioni necessarie per il funzionamento, vale a dire:
Zigzag Xenes potrebbe essere la chiave
Il grafene è stato il primo materiale atomicamente sottile confermato, un foglio 2D di atomi di carbonio (gruppo IV) disposti in un reticolo a nido d'ape. Ora si stanno studiando le proprietà topologiche ed elettroniche per fogli a nido d'ape simili di materiali del gruppo IV e del gruppo V, chiamati collettivamente Xene 2D.
I 2D-Xenes sono isolanti topologici, cioè isolanti elettricamente al loro interno ma conduttivi lungo i bordi, dove gli elettroni vengono trasmessi senza dissipare energia (simile a un superconduttore). Quando un foglio 2D-Xene viene tagliato in un nastro stretto terminato su bordi "a zigzag", noto come zigzag-Xene-nanoribbon, mantiene le modalità del bordo conduttore caratteristiche di un isolante topologico, che si ritiene mantengano la loro capacità di trasportare corrente senza dissipazione.
È stato recentemente dimostrato che i nanoribbon a zigzag-Xene hanno il potenziale per creare un transistor topologico in grado di ridurre l'energia di commutazione di un fattore quattro.
La nuova ricerca guidata da UOW ha rilevato quanto segue:
Mantenimento degli stati marginali
Le misurazioni hanno indicato che gli stati del bordo chirale filtrati per spin nei nanonastri a zigzag-Xene rimangono senza spazi vuoti e protetti contro la dispersione all'indietro che causa resistenza, anche con la sovrapposizione tra i bordi finita in nastri ultra-stretti (il che significa che un materiale Hall di spin quantico 2D subisce una fase transizione a un metallo topologico 1D.) Questo è guidato dagli stati marginali che si intrecciano con le modalità a energia zero guidate dalla topologia della banda intrinseca.
"I nanoribbon Quantum confinati a zigzag-Xene sono una classe speciale di materiali isolanti topologici in cui il gap energetico del campione sfuso aumenta con una diminuzione della larghezza, mentre la conduzione dello stato marginale rimane robusta contro la dissipazione anche se la larghezza è ridotta a quasi- one-dimension", afferma il ricercatore della FLEET e collaboratore del nuovo studio, il professore associato Dmitrie Culcer (UNSW). "Questa caratteristica dei nanoribbon confinati a zigzag-Xene è in netto contrasto con altri materiali isolanti topologici 2D in cui gli effetti di confinamento inducono anche un divario energetico negli stati di bordo."
Tensione di soglia bassa
A causa della regolazione dipendente dalla larghezza e dalla quantità di moto dell'accoppiamento tra i bordi indotto dal gate, la tensione di soglia richiesta per la commutazione tra gli stati di bordo gapless e gap si riduce al diminuire della larghezza del materiale, senza alcun limite inferiore fondamentale.
"Un ultra-sottile nastro Xene a zigzag può 'alternarsi' tra un metallo topologico quasi unidimensionale con stati di bordo gapless conduttivi e un normale isolante con stati di bordo gap con una piccola modifica di una manopola di tensione", afferma l'autore principale Dr. Muhammad Nadeem (UOW).
"La modifica desiderata di una manopola di tensione diminuisce con la diminuzione della larghezza dei nanoribbon a zigzag-Xene e una tensione operativa inferiore significa che il dispositivo può utilizzare meno energia. La riduzione della modifica della manopola di tensione è dovuta a un effetto quantistico relativistico chiamato spin-orbita accoppiamento ed è molto contrastante dai nastri zigzag-Xene-nanoribbon incontaminati che sono normali isolanti e in cui la regolazione della manopola di tensione desiderata aumenta con la diminuzione della larghezza. "
Commutazione topologica senza chiusura di massa del gap di banda
Quando la larghezza dei nanonastri a zigzag-Xene è inferiore a un limite critico, è possibile ottenere il passaggio topologico tra gli stati dei bordi senza la chiusura e la riapertura del gap di banda di massa. Ciò è dovuto principalmente all'effetto di confinamento quantistico sullo spettro di banda bulk, che aumenta il gap di banda bulk non banale con una diminuzione della larghezza.
"Questo comportamento è nuovo e distinto dagli isolanti topologici 2D, in cui la chiusura e la riapertura del gap di banda è sempre necessaria per modificare lo stato topologico", afferma il prof. Michael Fuhrer (Monash). "Gli ampi nanoribbon a zigzag-Xene si comportano più come il caso 2D, in cui il campo elettrico del cancello commuta la conduttanza dello stato limite mentre si chiude e riapre contemporaneamente il gap di banda di massa."
"In presenza di accoppiamento spin-orbita, [un] meccanismo di commutazione topologico in nanoribbon a zig-zag confinato a grande gap ribalta la saggezza generale di utilizzare materiali a gap stretto e a canale largo per ridurre la tensione di soglia in un'analisi standard di transistor ad effetto di campo ”, afferma il prof. Xiaolin Wang (UOW).
"Inoltre, [un] transistor a effetto di campo quantistico topologico che utilizza nanoribbon Xene a zigzag come materiale del canale presenta numerosi vantaggi delle complessità ingegneristiche coinvolte nella progettazione e nella fabbricazione", afferma il prof. Alex Hamilton (UNSW).
A differenza della tecnologia MOSFET, in cui la dipendenza dalla dimensione della tensione di soglia è ingarbugliata con le tecniche di isolamento, la riduzione della tensione di soglia in un transistor ad effetto di campo quantistico topologico è una proprietà intrinseca dei nanoribbon a zigzag-Xene associata alle funzionalità topologiche e quantomeccaniche.
Insieme a meccanismi di conduzione e commutazione molto diversi, gli aspetti tecnologici richiesti per la fabbricazione di un transistor a effetto di campo quantistico topologico con nanoribbon Xene a zigzag differiscono anche radicalmente da quelli dei MOSFET:non vi è alcun requisito fondamentale per tecniche tecnologiche/di isolamento specializzate per un basso tensione TQFET con un meccanismo di commutazione ad alta efficienza energetica.
Con la robustezza topologica dello stato ON preservata e la tensione di soglia minima, la larghezza del canale può essere ridotta a una dimensione quasi unica. Ciò consente una geometria ottimizzata per un transistor a effetto di campo quantistico topologico con un rapporto segnale-rumore migliorato tramite più canali di stato del bordo. + Esplora ulteriormente
