Un equipo de la Universidad de Minnesota Twin Cities, por primera vez, sintetizó una película delgada de un material semimetálico topológico único que tiene el potencial de generar más poder de cómputo y almacenamiento de memoria mientras usa significativamente menos energía. Los investigadores también pudieron estudiar de cerca el material, lo que llevó a algunos hallazgos importantes sobre la física detrás de sus propiedades únicas.

El estudio se publica en Nature Communications, una revista científica revisada por pares que cubre las ciencias naturales y la ingeniería.

Como lo demuestra la reciente Ley de ciencia y CHIPS de los Estados Unidos, existe una necesidad creciente de aumentar la fabricación de semiconductores y apoyar la investigación que se dedica al desarrollo de los materiales que alimentan los dispositivos electrónicos en todas partes. Si bien los semiconductores tradicionales son la tecnología detrás de la mayoría de los chips de computadora actuales, los científicos e ingenieros siempre están buscando nuevos materiales que puedan generar más energía con menos energía para hacer que la electrónica sea mejor, más pequeña y más eficiente.

Uno de esos candidatos para estos chips de computadora nuevos y mejorados es una clase de materiales cuánticos llamados semimetales topológicos. Los electrones en estos materiales se comportan de diferentes maneras, dándoles propiedades únicas que los típicos aislantes y metales usados ​​en dispositivos electrónicos no tienen. Por esta razón, se están explorando para su uso en dispositivos espintrónicos, una alternativa a los dispositivos semiconductores tradicionales que aprovechan el espín de los electrones en lugar de la carga eléctrica para almacenar datos y procesar información.

En este nuevo estudio, un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de Minnesota pudo sintetizar con éxito un material como una película delgada y demostrar que tiene el potencial para un alto rendimiento con un bajo consumo de energía.

« Esta investigación muestra por primera vez que se puede pasar de un aislante topológico débil a un semimetal topológico utilizando una estrategia de dopaje magnético », dijo Jian-Ping Wang, autor principal del artículo y profesor distinguido de la Universidad McKnight y Robert F. Cátedra Hartmann en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. « Estamos buscando formas de extender la vida útil de nuestros dispositivos eléctricos y, al mismo tiempo, reducir el consumo de energía, y estamos tratando de hacerlo de formas no tradicionales y listas para usar ».

Los investigadores han estado trabajando en materiales topológicos durante años, pero el equipo de la Universidad de Minnesota es el primero en utilizar un proceso de pulverización catódica patentado y compatible con la industria para crear este semimetal en un formato de película delgada. Debido a que su proceso es compatible con la industria, dijo Wang, la tecnología se puede adoptar y utilizar más fácilmente para fabricar dispositivos del mundo real.

« Todos los días en nuestras vidas, usamos dispositivos electrónicos, desde nuestros teléfonos celulares hasta lavavajillas y microondas. Todos usan chips. Todo consume energía », dijo Andre Mkhoyan, autor principal del artículo y Ray D. y Mary T. Johnson. Presidente y profesor del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota. « La pregunta es, ¿cómo minimizamos ese consumo de energía? Esta investigación es un paso en esa dirección. Estamos creando una nueva clase de materiales con un rendimiento similar o, a menudo, mejor, pero que utilizan mucha menos energía ».

Debido a que los investigadores fabricaron un material de tan alta calidad, también pudieron analizar de cerca sus propiedades y lo que lo hace tan único.

« Una de las principales contribuciones de este trabajo desde el punto de vista de la física es que pudimos estudiar algunas de las propiedades más fundamentales de este material », dijo Tony Low, autor principal del artículo y profesor asociado Paul Palmberg en la Universidad. del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Minnesota. « Normalmente, cuando se aplica un campo magnético, la resistencia longitudinal de un material aumentará, pero en este material topológico en particular, predijimos que disminuiría. Pudimos corroborar nuestra teoría con los datos de transporte medidos y confirmar que hay es de hecho una resistencia negativa ».

Low, Mkhoyan y Wang han estado trabajando juntos durante más de una década en materiales topológicos para dispositivos y sistemas electrónicos de próxima generación; esta investigación no habría sido posible sin combinar su experiencia respectiva en teoría y computación, crecimiento y caracterización de materiales, y fabricación de dispositivos.

« No solo se necesita una visión inspiradora, sino también una gran paciencia en las cuatro disciplinas y un grupo dedicado de miembros del equipo para trabajar en un tema tan importante pero desafiante, que potencialmente permitirá la transición de la tecnología del laboratorio a la industria », dijo Wang. .

Además de Low, Mkhoyan y Wang, el equipo de investigación incluyó a los investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota Delin Zhang, Wei Jiang, Onri Benally, Zach Cresswell, Yihong Fan, Yang Lv y Przemyslaw Swatek; el investigador del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales, Hwanhui Yun; el investigador del Departamento de Física y Astronomía Thomas Peterson; y los investigadores del Centro de Caracterización de la Universidad de Minnesota, Guichuan Yu y Javier Barriocanal.

Esta investigación cuenta con el apoyo de SMART, uno de los siete centros de nCORE, un programa de la Corporación de Investigación de Semiconductores, patrocinado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). TP y DZ recibieron apoyo parcial de ASCENT, uno de los seis centros de JUMP, un programa de Semiconductor Research Corporation patrocinado por MARCO y DARPA. Este trabajo fue parcialmente apoyado por el programa del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales (MRSEC) de la Universidad de Minnesota bajo el número de adjudicación DMR-2011401 (Seed). Partes de este trabajo se llevaron a cabo en el Centro de caracterización de la Universidad de Minnesota Twin Cities, que recibe apoyo parcial de la Fundación Nacional de Ciencias a través de MRSEC (Número de premio DMR-2011401). Partes de este trabajo se realizaron en el Nano Center de Minnesota, que cuenta con el respaldo de la Red de Infraestructura Coordinada Nano (NNCI) de la NSF con el número de adjudicación ECCS-2025124.