El final de la era del silicio ha comenzado. A medida que los chips de computadora se acercan a los límites físicos de la miniaturización y los procesadores hambrientos de energía aumentan los costos de energía, los científicos están buscando una nueva cosecha de materiales exóticos que puedan fomentar una nueva generación de dispositivos informáticos queprometen impulsar el rendimiento a nuevas alturas mientras escatiman en el consumo de energía.
A diferencia de los componentes electrónicos actuales basados en silicio, que eliminan la mayor parte de la energía que consumen como calor residual, el futuro tiene que ver con la informática de baja potencia. Conocida como espintrónica, esta tecnología se basa en una propiedad física cuántica de los electrones: arriba o abajogiro: para procesar y almacenar información, en lugar de moverlos con electricidad como lo hace la informática convencional.
En la búsqueda de hacer realidad los dispositivos espintrónicos, los científicos de la Universidad de Arizona están estudiando una cosecha exótica de materiales conocidos como dichoslcogenuros de metales de transición o TMD. Los TMD tienen propiedades interesantes que se prestan a nuevas formas de procesamiento y almacenamiento de información y podríanproporcionar la base de futuros transistores y energía fotovoltaica, y potencialmente incluso ofrecer una vía hacia la computación cuántica.
Por ejemplo, las células solares actuales basadas en silicio convierten de manera realista solo alrededor del 25 por ciento de la luz solar en electricidad, por lo que la eficiencia es un problema, dice Calley Eads, un estudiante de doctorado de quinto año en el Departamento de Química y Bioquímica de la UA que estudia algunos delas propiedades de estos nuevos materiales. "Podría haber una gran mejora allí para cosechar energía, y estos materiales podrían hacer esto", dice.
Sin embargo, hay una trampa: la mayoría de los TMD muestran su magia solo en forma de láminas que son muy grandes, pero solo de uno a tres átomos de grosor. Estas capas atómicas son lo suficientemente desafiantes como para fabricarlas a escala de laboratorio, y mucho menos en la industriaproducción en masa.
Se están realizando muchos esfuerzos para diseñar materiales atómicamente delgados para la comunicación cuántica, la electrónica de baja potencia y las células solares, según Oliver Monti, profesor del departamento y asesor de Eads. Estudiar un TMD que consiste en capas alternas de estaño y azufre,su equipo de investigación descubrió recientemente un posible atajo, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Mostramos que para algunas de estas propiedades, no necesita ir a las láminas atómicamente delgadas", dice. "Puede ir a la forma cristalina mucho más accesible que está disponible en el estante. Algunas de laslas propiedades se guardan y sobreviven "
Comprensión del movimiento de electrones
Esto, por supuesto, podría simplificar drásticamente el diseño del dispositivo.
"Estos materiales son tan inusuales que seguimos descubriendo más y más sobre ellos, y revelan algunas características increíbles que creemos que podemos usar, pero ¿cómo lo sabemos con certeza?", Dice Monti. "Una forma de saberlo esentendiendo cómo se mueven los electrones en estos materiales para que podamos desarrollar nuevas formas de manipularlos, por ejemplo, con luz en lugar de corriente eléctrica como lo hacen las computadoras convencionales ".
Para hacer esta investigación, el equipo tuvo que superar un obstáculo que nunca antes se había despejado: encontrar una manera de "observar" los electrones individuales a medida que fluyen a través de los cristales.
"Construimos lo que es esencialmente un reloj que puede cronometrar electrones en movimiento como un cronómetro", dice Monti. "Esto nos permitió hacer las primeras observaciones directas de los electrones moviéndose en cristales en tiempo real. Hasta ahora, eso solo se había hechoindirectamente, utilizando modelos teóricos "
El trabajo es un paso importante para aprovechar las características inusuales que hacen que los TMD sean candidatos interesantes para la tecnología de procesamiento futura, porque eso requiere una mejor comprensión de cómo se comportan y se mueven los electrones en ellos.
El "cronómetro" de Monti hace posible rastrear electrones en movimiento a una resolución de un mero attosegundo, una billonésima de billonésima de segundo. Al rastrear electrones dentro de los cristales, el equipo hizo otro descubrimiento: el flujo de carga depende de la dirección,Una observación que parece ir en contra de la física.
En colaboración con Mahesh Neupane, un físico computacional en los Laboratorios de Investigación del Ejército, y Dennis Nordlund, un experto en espectroscopía de rayos X en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de la Universidad de Stanford, el equipo de Monti utilizó una fuente de rayos X sintonizable de alta intensidad para excitar electrones individualesen sus muestras de prueba y elevarlas a niveles de energía muy altos.
"Cuando un electrón está excitado de esa manera, es el equivalente a un automóvil que está siendo empujado de 10 millas por hora a miles de millas por hora", explica Monti. "Quiere deshacerse de esa enorme energía yvolver a caer a su nivel de energía original. Ese proceso es extremadamente corto, y cuando eso sucede, emite una firma específica que podemos recoger con nuestros instrumentos ".
Los investigadores pudieron hacer esto de una manera que les permitió distinguir si los electrones excitados permanecían dentro de la misma capa del material, o se diseminaban en capas adyacentes a través del cristal.
"Vimos que los electrones excitados de esta manera se dispersaron dentro de la misma capa y lo hicieron extremadamente rápido, del orden de unos pocos cientos de attosegundos", dice Monti.
En contraste, los electrones que se cruzaron en capas adyacentes tardaron más de 10 veces más en volver a su estado de energía de tierra. La diferencia permitió a los investigadores distinguir entre las dos poblaciones.
"Estaba muy emocionado de encontrar ese mecanismo direccional de distribución de carga que ocurre dentro de una capa, en lugar de a través de capas", dice Eads, autor principal del artículo. "Eso nunca antes se había observado".
más cerca de la fabricación en masa
El "reloj" de rayos X utilizado para rastrear electrones no es parte de las aplicaciones previstas, sino un medio para estudiar el comportamiento de los electrones dentro de ellos, explica Monti, un primer paso necesario para acercarse a la tecnología con las propiedades deseadas que podríanser fabricado en masa.
"Un ejemplo del comportamiento inusual que vemos en estos materiales es que un electrón que va hacia la derecha no es lo mismo que un electrón que va hacia la izquierda", dice. "Eso no debería suceder, de acuerdo con la física demateriales estándar, ir a la izquierda o la derecha es exactamente lo mismo. Sin embargo, para estos materiales eso no es cierto "
Esta direccionalidad es un ejemplo de lo que hace que los TMD sean interesantes para los científicos, ya que podría usarse para codificar información.
"Moverse hacia la derecha podría codificarse como 'uno' e ir hacia la izquierda como 'cero'", dice Monti. "Entonces, si puedo generar electrones que van claramente a la derecha, he escrito un montón de unos, y si puedo generar electrones que van claramente a la izquierda, he generado un montón de ceros ".
En lugar de aplicar corriente eléctrica, los ingenieros podrían manipular electrones de esta manera usando luz como un láser, para escribir, leer y procesar información de forma óptica. Y quizás algún día incluso sea posible enredar ópticamente la información, despejando el camino hacia la computación cuántica.
"Cada año, se producen más y más descubrimientos en estos materiales", dice Eads. "Están explotando en términos de qué tipo de propiedades electrónicas se pueden observar en ellos. Hay un espectro completo de formas en que pueden funcionar, desde superconductores, semiconductores hasta aislantes y posiblemente más "
La investigación descrita aquí es solo una forma de probar las propiedades inesperadas y emocionantes de los cristales TMD en capas, según Monti.
"Si hicieras este experimento en silicio, no verías nada de esto", dice. "El silicio siempre se comportará como un cristal tridimensional, no importa lo que hagas. Se trata de la estratificación".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Arizona . Original escrito por Daniel Stolte. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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