Um estudo colaborativo liderado pela Universidade de Wollongong confirma o mecanismo de comutação para uma nova geração proposta de eletrônica topológica de energia ultrabaixa.
Com base em novos materiais topológicos quânticos, tais dispositivos "comutariam" um isolador topológico de não condutor (isolador elétrico convencional) para um estado condutor (isolador topológico), pelo qual a corrente elétrica poderia fluir ao longo de seus estados de borda sem desperdício de energia.

Essa eletrônica topológica poderia reduzir radicalmente a energia consumida em computação e eletrônica, que se estima consumir 8% da eletricidade global, e está dobrando a cada década.

Liderado pelo Dr. Muhammad Nadeem da Universidade de Wollongong (UOW), o estudo também trouxe conhecimentos de colaboradores do Centro FLEET da UNSW e da Universidade Monash.

Resolvendo o desafio da troca

Isoladores topológicos bidimensionais são materiais promissores para dispositivos eletrônicos quânticos topológicos onde o transporte de estado de borda pode ser controlado por um campo elétrico induzido por uma porta.

No entanto, um grande desafio com tal comutação topológica induzida por campo elétrico tem sido a necessidade de um campo elétrico irrealisticamente grande para fechar o bandgap topológico.

A equipe de pesquisa de nós cruzados e interdisciplinares da FLEET estudou a dependência da largura das propriedades eletrônicas para confirmar que uma classe de material conhecida como nanofitas zigzag-Xene preencheria as condições necessárias para operação, a saber:

1. Os estados de borda quirais filtrados por rotação em nanofitas zigzag-Xene permanecem sem intervalos e protegidos contra dispersão para trás
2. A tensão limite necessária para alternar entre os estados de borda sem intervalo e com intervalo reduz à medida que a largura do material diminui, sem qualquer limite inferior fundamental
3. A alternância topológica entre estados de borda pode ser alcançada sem o fechamento e reabertura do bandgap em massa (ou seja, interior)
4. As nanofitas em ziguezague-Xene confinadas quânticas podem estimular o progresso de tecnologias de computação topológica de energia ultrabaixa.

Zigzag Xenes pode ser a chave

O grafeno foi o primeiro material atomicamente fino confirmado, uma folha 2D de átomos de carbono (grupo IV) dispostos em uma rede de favo de mel. Agora, propriedades topológicas e eletrônicas estão sendo investigadas para folhas semelhantes de favo de mel de materiais do grupo IV e grupo V, coletivamente chamados de 2D-Xenes.

2D-Xenes são isolantes topológicos - ou seja, eletricamente isolantes em seu interior, mas condutores ao longo de suas bordas, onde os elétrons são transmitidos sem dissipar qualquer energia (semelhante a um supercondutor). Quando uma folha de 2D-Xene é cortada em uma fita estreita terminada em bordas "ziguezague", conhecidas como ziguezague-Xene-nanoribbons, ela retém os modos de borda de condução característicos de um isolante topológico, que se acredita manter sua capacidade de transportar corrente sem dissipação.

Foi recentemente demonstrado que ziguezague-Xene-nanoribbons têm potencial para fazer um transistor topológico que pode reduzir a energia de comutação por um fator de quatro.

A nova pesquisa liderada pela UOW descobriu o seguinte:

Manter estados de borda

As medições indicaram que os estados de borda quiral filtrados por spin em nanofitas ziguezague-Xene permanecem sem lacunas e protegidos contra a dispersão para trás que causa resistência, mesmo com sobreposição finita entre bordas em fitas ultra-estreitas (o que significa que um material Hall de spin quântico 2D passa por uma fase transição para um metal topológico 1D.) Isso é impulsionado pelos estados de borda que se entrelaçam com modos de energia zero acionados por topologia de banda intrínseca.

"Zegzag-Xene-nanoribbons confinados quânticos são uma classe especial de materiais isolantes topológicos em que a diferença de energia da amostra em massa aumenta com a diminuição da largura, enquanto a condução do estado de borda permanece robusta contra a dissipação, mesmo que a largura seja reduzida a quase uma dimensão", diz o pesquisador e colaborador da FLEET no novo estudo, o professor associado Dmitrie Culcer (UNSW). "Esta característica de ziguezague-Xene-nanoribbons confinados está em forte contraste com outros materiais isolantes topológicos 2D nos quais os efeitos de confinamento também induzem uma lacuna de energia nos estados de borda".

Baixa tensão de limite

Devido à capacidade de ajuste dependente da largura e do momento do acoplamento entre bordas induzida pela porta, a tensão limite necessária para alternar entre os estados de borda sem intervalo e com intervalo reduz à medida que a largura do material diminui, sem qualquer limite inferior fundamental.

"Um ziguezague ultra-estreito-Xene-nanoribbon pode 'alternar' entre um metal topológico quase unidimensional com condução de estados de borda sem lacunas e um isolador comum com estados de borda com abertura com um pequeno ajuste de um botão de tensão", diz o principal autor Dr. .Muhammad Nadeem (UOW).

"O ajuste desejado de um botão de voltagem diminui com a diminuição da largura de ziguezague-Xene-nanoribbons, e uma voltagem operacional mais baixa significa que o dispositivo pode usar menos energia. A redução no ajuste do botão de voltagem ocorre devido a um efeito quântico relativístico chamado spin-orbit acoplamento e é altamente contrastante de ziguezague-Xene-nanoribbons imaculados que são isolantes comuns e nos quais o ajuste do botão de tensão desejado aumenta com a diminuição da largura."

Mudança topológica sem fechamento de bandgap em massa

Quando a largura das nanofitas zigzag-Xene é menor que um limite crítico, a comutação topológica entre estados de borda pode ser alcançada sem fechamento e reabertura do bandgap em massa. Isso se deve principalmente ao efeito de confinamento quântico no espectro da banda em massa, que aumenta o bandgap em massa não trivial com a diminuição da largura.

"Esse comportamento é novo e distinto dos isoladores topológicos 2D, onde o fechamento e a reabertura do bandgap são sempre necessários para alterar o estado topológico", diz o professor Michael Fuhrer (Monash). “Amplo ziguezague-Xene-nanoribbons agem mais como o caso 2D, onde o campo elétrico do portão muda a condutância do estado de borda enquanto simultaneamente fecha e reabre o bandgap em massa”.

"Na presença de acoplamento spin-órbita, [um] mecanismo de comutação topológica em nanoribbons ziguezague-Xene confinados de grande espaço derruba a sabedoria geral de utilizar materiais de espaço estreito e canal largo para reduzir a tensão de limiar em uma análise de transistor de efeito de campo padrão ", diz o professor Xiaolin Wang (UOW).

"Além disso, [um] transistor de efeito de campo quântico topológico que utiliza ziguezague-Xene-nanoribbons como material de canal tem várias vantagens de complexidades de engenharia envolvidas no projeto e fabricação", diz o professor Alex Hamilton (UNSW).

Ao contrário da tecnologia MOSFET, na qual a dependência do tamanho da tensão de limiar é emaranhada com técnicas de isolamento, a redução da tensão de limiar em um transistor de efeito de campo quântico topológico é uma propriedade intrínseca de ziguezague-Xene-nanoribbons associados a funcionalidades topológicas e mecânicas quânticas.

Juntamente com os mecanismos de condução e comutação muito diferentes, os aspectos tecnológicos necessários para fabricar um transistor de efeito de campo quântico topológico com nanoribbons ziguezague-Xene também diferem radicalmente daqueles dos MOSFETs:tensão TQFET com um mecanismo de comutação energeticamente eficiente.

Com robustez topológica preservada no estado ON e tensão de limiar mínima, a largura do canal pode ser reduzida a quase uma dimensão. Isso permite geometria otimizada para um transistor de efeito de campo quântico topológico com relação sinal-ruído aprimorada por meio de vários canais de estado de borda. + Explorar mais

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