Forschung -

Topologische Erkenntnisse einer neuen Transistorart

Milliarden von winzigen Transistoren liefern die Rechenleistung moderner Smartphones und steuern den Elektronenfluss mit schnellem Ein- und Ausschalten.

Aber der kontinuierliche Fortschritt bei der Integration von mehr und mehr Transistoren in kleineren Bauelementen stößt an die physikalischen Grenzen herkömmlicher Materialien.

Bekannte Ineffizienzen in Transistormaterialien führen zu Energieverlusten, die Wärmeentwicklungen und kürzere Akkulaufzeiten mit sich bringen. Deshalb sind Forscher auf der Suche nach alternativen Materialien, die es Geräten ermöglichen, trotz geringerer Leistungsaufnahme effizienter zu arbeiten.

Nun hat ein Experiment am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zum ersten Mal elektronisches Schalten in einem exotischen, ultradünnen Material demonstriert, das eine Ladung bei Raumtemperatur nahezu verlustfrei tragen kann. Forscher zeigten dieses Schalten, als sie das Material einem elektrischen Schwachstromfeld aussetzten.

Das Team, das von Forschern der Monash University in Australien geleitet wurde und zu dem auch Wissenschaftler des Berkeley Lab gehörten, züchtete das Material von Grund auf neu und studierte es mit Röntgenstrahlen am Advanced Light Source (ALS), einer Einrichtung des Lawrence Berkeley National Laboratory.

Das Material, bekannt als Natriumbismutid (Na3Bi), ist eines von zwei Materialien, die als "topologische Dirac-Halbmetalle" bekannt sind, d. h., sie haben einzigartige elektronische Eigenschaften, die so eingestellt werden können, dass sie sich unterschiedlich verhalten - in einigen Fällen eher wie ein herkömmliches Material und in anderen Fällen eher wie ein topologisches Material. Seine topologischen Eigenschaften wurden erstmals in früheren Experimenten am ALS bestätigt.

Topologische Materialien gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Transistorgenerationen sowie für andere Elektronik- und Computeranwendungen, da sie das Potenzial haben, Energieverluste und den Stromverbrauch von Geräten und Systemen zu reduzieren.

Diese interessanten Eigenschaften können bei Raumtemperatur auftreten - ein wichtiger Unterschied zu Supraleitern, die extrem gekühlt werden müssen - und können auch dann bestehen bleiben, wenn die Materialien strukturelle Mängel aufweisen und einer Belastung ausgesetzt sind.

Materialien mit topologischen Eigenschaften stehen im Mittelpunkt intensiver Forschungen der globalen Wissenschaft. In 2016 wurde der Nobelpreis für Physik für Theorien über topologische Eigenschaften von Materialien verliehen.

Die Leichtigkeit, mit der das am ALS untersuchte Material von einem elektrisch leitenden Zustand in einen isolierenden oder nicht leitenden Zustand überführt werden kann, spricht für zukünftige Transistoranwendungen, sagte Sung-Kwan Mo, ein Mitarbeiter der ALS, der an der neuesten Studie teilnahm. Die Studie wurde in der Zeitschrift "Nature" ("Electric-field-tuned topological phase transition in ultrathin Na3Bi") ausführlich beschrieben.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der neuesten Studie ist, dass das Team der Monash University herausfand, das Element extrem dünn zu züchten, bis hin zu einer einzelnen Schicht, die als Wabenmuster aus Natrium- und Wismutatomen angeordnet ist. Die Dicke jeder geformten Schicht lässt sich einstellen.

"Wenn man ein Element herstellen will, muss man es dünner machen", sagte Mo. "Diese Studie beweist, dass es mit Na3Bi möglich ist, und seine elektrischen Eigenschaften lassen sich leicht mit einer Niederspannung kontrollieren. Wir sind einem topologischen Transistor einen Schritt nähergekommen."

Michael Fuhrer, ein Physiker an der Monash University, der an der Studie teilnahm, sagte: "Diese Entdeckung ist ein Schritt in Richtung topologischer Transistoren, die die Welt der Computer verändern könnten".

Er fügte hinzu: "Topologische Elektronik mit extrem niedrigem Energieverbrauch ist eine potenzielle Antwort auf die zunehmende Herausforderung der Energieverschwendung durch moderne Computer. Die Informations- und Kommunikationstechnologie verbraucht bereits 8 Prozent des weltweiten Energieaufkommens, und das verdoppelt sich jedes Jahrzehnt."

In der neuesten Studie züchteten die Forscher die mehrere Millimeter großen Materialproben auf einem Siliziumwafer im Ultrahochvakuum am ALS Beamline 10.0.1 mit der Molekularstrahlepitaxie.

Mit der Beamline können Forscher Proben züchten und dann unter den gleichen Vakuumbedingungen experimentieren, um eine Kontamination zu vermeiden.

Diese Strahlführung ist auf eine Röntgentechnik spezialisiert, die als winkelaufgelöste Fotoemissionsspektroskopie oder ARPES bekannt ist und Informationen darüber liefert, wie Elektronen in Materialien wandern. In typischen topologischen Materialien fließen Elektronen um die Kanten des Materials herum, während der Rest des Materials als Isolator dient, der diesen Fluss verhindert.

Einige Röntgenexperimente an ähnlichen Proben wurden auch am "Australian Synchrotron" durchgeführt, um zu zeigen, dass das ultradünne Na3Bi frei stehend war und nicht mit dem Siliziumwafer, auf dem es angebaut wurde, chemisch interagierte.

Die Forscher hatten auch Proben mit einem Rastertunnelmikroskop an der Monash University untersucht, wodurch andere Messungen bestätigt wurden.
"In diesen Randpfaden können Elektronen nur in einer Richtung wandern", sagte Mark Edmonds, Physiker an der Monash University, der die Studie leitete. "Und das bedeutet, dass es keine "Rückstreuung" geben kann, die in herkömmlichen elektrischen Leitern den elektrischen Widerstand verursacht."

In diesem Fall fanden die Forscher heraus, dass das ultradünne Material unter Einwirkung des elektrischen Feldes vollständig leitfähig wurde und auch als Isolator über das gesamte Material geschaltet werden konnte, sobald es einem etwas höheren elektrischen Feld ausgesetzt war.

" Das Forschungsteam untersucht andere Proben, die in ähnlicher Weise ein- und ausgeschaltet werden können, um die Entwicklung einer neuen Elektronikgeneration mit extrem niedriger Energie zu unterstützen", sagte Edmonds.

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