Jedinečný kvantový materiál by mohol umožniť ultravýkonné kompaktné počítače

Informácie v počítačoch sa prenášajú cez polovodiče pohybom elektrónov a ukladajú sa v smere rotácie elektrónov v magnetických materiáloch. S cieľom zmenšiť zariadenia a zároveň zlepšiť ich výkon – cieľ vznikajúcej oblasti nazývanej spin-elektronika („spintronika“) – výskumníci hľadajú jedinečné materiály, ktoré kombinujú obe kvantové vlastnosti. Tím chemikov a fyzikov z Columbie, ktorý píše v Nature Materials, našiel silné spojenie medzi transportom elektrónov a magnetizmom v materiáli zvanom bromid sulfidu chrómu (CrSBr).

CrSBr, vytvorený v laboratóriu chemika Xaviera Roya, je takzvaný van der Waalsov kryštál, ktorý je možné zlúpnuť do stohovateľných 2D vrstiev tenkých len niekoľko atómov. Na rozdiel od príbuzných materiálov, ktoré sú rýchlo zničené kyslíkom a vodou, sú kryštály CrSBr stabilné za okolitých podmienok. Tieto kryštály si tiež zachovávajú svoje magnetické vlastnosti Ochladené na teplotu -450F, čím sa vyhne potrebe drahého tekutého hélia, pri relatívne vysokej teplote -280F,

„S CRSBR sa pracuje nekonečne ľahšie ako s inými 2D magnetmi, čo nám umožňuje vyrábať nové zariadenia a testovať ich vlastnosti,“ povedal Evan Telford, postdoktor v Roy Lab. Promócie s doktorátom z fyziky z Kolumbie v roku 2020. Minulý rok kolegovia Nathan Wilson a Xiaodong Xu z University of Washington a Xiaoyang Zhu v Kolumbii dostal odkaz Medzi magnetizmom a tým, ako CrSBr reaguje na svetlo. V tejto práci viedol Telford snahu o objavenie elektronické vlastnosti,

tým použil a elektrické pole Štúdium vrstiev CrSBr v rôznych elektrónových hustotách, magnetických poliach a teplotách – rôzne parametre, ktoré možno upraviť tak, aby v materiáli vyvolali rôzne efekty. So zmenou elektronických vlastností CrSBr sa zmenil aj jeho magnetizmus.

„Polovodiče majú laditeľné elektronické vlastnosti. Magnety majú laditeľné spinové konfigurácie. V CrSBr sú tieto dva gombíky kombinované,“ povedal Roy. „To robí CrSBr atraktívnym pre oboch základného výskumu a pre potenciálne aplikácie spintroniky.“

Magnetizmus je ťažké priamo merať, vysvetlil Telford, najmä kvôli zmenšeniu veľkosti materiálu, ale je ľahké merať, ako sa elektróny pohybujú, pomocou parametra nazývaného odpor. V CrSBr môže odpor slúžiť ako proxy pre inak neviditeľné magnetické stavy. „Je to veľmi silné, najmä keď sa výskumníci jedného dňa pokúsia vyrobiť čipy z 2D magnetov, ktoré by sa dali použiť na kvantové výpočty A ukladať obrovské množstvo dát na malom priestore.

Spojenie medzi elektronickými a magnetickými vlastnosťami materiálu bolo spôsobené defektmi vo vrstvách – pre tím to bola šťastná prestávka, povedal Telford. „Ľudia zvyčajne chcú ‚najčistejší‘ materiál. Naše kryštály mali chyby, ale bez nich by sme toto spojenie nevideli,“ povedal.

Odtiaľto laboratórium Roy experimentuje so spôsobmi pestovania lúpateľných van der Waalsových kryštálov so zámernými defektmi, aby sa zlepšila schopnosť materiálu obnoviť vlastnosti. Skúmajú tiež, či môžu rôzne kombinácie prvkov fungovať pri vyšších teplotách a zároveň si zachovať tieto cenné vlastnosti spoja.