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Nuevos materiales cuánticos 2D para nanoelectrónica

Este diagrama ilustra el concepto detrás de la visión del equipo MIT de un nuevo tipo de dispositivo electrónico basado en materiales 2D. El material 2-D está en el medio de un "sándwich" en capas, con capas de otro material, nitruro de boro, en la parte superior e inferior (se muestra en gris). Cuando se aplica un campo eléctrico al material, por medio del áreas en la parte superior, cambia el estado cuántico de la capa intermedia (áreas amarillas). Los límites de estas regiones "conmutadas" actúan como cables cuánticos perfectos, lo que puede conducir a nuevos dispositivos electrónicos con bajas pérdidas. Crédito: Yan Liang Los investigadores del MIT dicen que han llevado a cabo un análisis teórico que muestra que una familia de materiales bidimensionales exhibe propiedades cuánticas exóticas que pueden permitir un nuevo tipo de electrónica a nanoescala. Se predice que estos materiales muestran un fenómeno llamado efecto cuántico de efecto Hall (QSH) y pertenecen a una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metal de transición , con capas de unos pocos átomos de espesor. Los hallazgos se detallan en un documento que aparece esta semana en la revista Science , en colaboración con los doctores postdoctorales del MIT Xiaofeng Qian y Junwei Liu; profesor asistente de física Liang Fu; y Ju Li, profesor de ciencia e ingeniería nuclear y ciencia e ingeniería de materiales. Los materiales QSH tienen la propiedad inusual de ser aislantes eléctricos en la mayor parte del material, pero altamente conductivos en sus bordes. Esto podría potencialmente convertirlos en un material adecuado para nuevos tipos de dispositivos electrónicos cuánticos , según creen muchos investigadores. Pero solo dos materiales con propiedades QSH han sido sintetizados, y las aplicaciones potenciales de estos materiales se han visto obstaculizadas por dos inconvenientes serios: su banda prohibida, una propiedad esencial para hacer transistores y otros dispositivos electrónicos, es demasiado pequeña, dando una señal baja para proporción de ruido; y carecen de la capacidad de encenderse y apagarse rápidamente. Ahora los investigadores del MIT dicen que han encontrado formas de eludir potencialmente ambos obstáculos utilizando materiales en 2-D que se han explorado para otros fines. Los materiales QSH existentes solo funcionan a temperaturas muy bajas y en condiciones difíciles, dice Fu, agregando que "los materiales que predijimos exhibir este efecto son ampliamente accesibles ... Los efectos podrían observarse a temperaturas relativamente altas". "Lo que se descubre aquí es un verdadero material en 2-D que tiene esta característica [QSH]", dice Li. "Los bordes son como alambres cuánticos perfectos". Los investigadores del MIT dicen que esto podría conducir a nuevos tipos de electrónica cuántica de baja potencia, así como dispositivos de espintrónica, un tipo de electrónica en la que el giro de los electrones, en lugar de su carga eléctrica, se utiliza para transportar información. El grafeno, una forma de carbono de dos dimensiones y un átomo de espesor con propiedades eléctricas y mecánicas inusuales, ha sido objeto de muchas investigaciones, lo que ha llevado a investigaciones adicionales sobre materiales similares en 2D. Pero hasta ahora, pocos investigadores han examinado estos materiales para detectar posibles efectos QSH, dice el equipo del MIT. "Los materiales bidimensionales son un campo muy activo para muchas aplicaciones potenciales", dice Qian, y el trabajo teórico de este equipo ahora muestra que al menos seis de esos materiales comparten estas propiedades QSH. Los investigadores del MIT estudiaron materiales conocidos como dicalcogenuros de metal de transición, una familia de compuestos elaborados a partir de los metales de transición molibdeno o tungsteno y los metales no contables teluro, selenio o azufre. Estos compuestos forman naturalmente láminas delgadas, solo átomos de espesor, que pueden desarrollar espontáneamente un patrón de dimerización en su estructura cristalina. Es esta dimerización de celosía la que produce los efectos estudiados por el equipo de MIT. Si bien el nuevo trabajo es teórico, el equipo produjo un diseño para un nuevo tipo de transistor basado en los efectos calculados. Llamado transistor topológico de efecto de campo, o TFET, el diseño se basa en una sola capa del material 2-D intercalado por dos capas de nitruro de boro 2-D. Los investigadores dicen que tales dispositivos pueden producirse a muy alta densidad en un chip y tienen pérdidas muy bajas, lo que permite una operación de alta eficiencia. Al aplicar un campo eléctrico al material, el estado de QSH se puede encender y apagar, lo que hace posible una gran cantidad de dispositivos electrónicos y de espintrónica, dicen. Además, este es uno de los materiales conocidos más prometedores para su posible uso en computadoras cuánticas, dicen los investigadores. La computación cuántica generalmente es susceptible de interrupción, técnicamente, una pérdida de coherencia, incluso de perturbaciones muy pequeñas. Pero, dice Li, las computadoras cuánticas topológicas "no pueden perder coherencia a partir de pequeñas perturbaciones. Es una gran ventaja para el procesamiento de la información cuántica". Debido a que ya se están llevando a cabo muchas investigaciones sobre estos materiales bidimensionales para otros fines, los métodos para fabricarlos de manera eficiente pueden ser desarrollados por otros grupos y luego podrían aplicarse a la creación de nuevos dispositivos electrónicos QSH, dice Qian. Nai Phuan Ong, profesor de física en la Universidad de Princeton que no estaba relacionado con este trabajo, dice: "Aunque algunas de las ideas se han mencionado anteriormente, el sistema actual parece especialmente prometedor. Este interesante resultado unirá dos subcampos muy activos de condensados. materia física, aisladores topológicos y dicalcogenuros ". Más información: "Efecto Hall de efecto cuántico en dicalcogénidos de metal de transición bidimensional" Science , www.sciencemag.org/lookup/doi/ ... 1126 / science.1256815 Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News ( web.mit.edu/newsoffice/ ), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT. Proporcionado por: Massachusetts Institute of Technology. Fuente: https://m.phys.org/news/2014-11-d-quantum-materials-nanoelectronics.html
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