Un equipo de investigación de la Universidad de Minnesota-Twin Cities ha sintetizado por primera vez una película de material semimetálico topológico única que tiene el potencial de producir mayor potencia informática y almacenamiento de memoria, al tiempo que reduce drásticamente el consumo de energía. Además, el equipo estudió el material detenidamente y obtuvo importantes conocimientos sobre la física detrás de sus propiedades únicas.
La investigación fue publicada recientemente en la revista Nature Communications.
Como lo demuestra la reciente Ley CHIPS y Ciencia de los Estados Unidos, existe una necesidad creciente de aumentar la fabricación de semiconductores y apoyar la investigación utilizada para desarrollar 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 producir más energía con menos para hacer que la electrónica sea mejor, más pequeña y más eficiente.
Un material candidato para esta nueva clase de chips de computadora mejorados es una clase de materiales cuánticos llamados semimetales topológicos. Los electrones de estos materiales se comportan de diferentes maneras, lo que les confiere propiedades únicas que no se encuentran en los aislantes y metales típicos utilizados en dispositivos electrónicos. Por lo tanto, se está explorando el uso de estos materiales en dispositivos espintrónicos. Los dispositivos espintrónicos son una alternativa a los dispositivos semiconductores tradicionales que utilizan el giro de los electrones en lugar de la carga eléctrica para almacenar datos y procesar información.
En el nuevo estudio, un equipo de investigación interdisciplinario de la Universidad de Minnesota sintetizó con éxito un material de película tan delgada y demostró su potencial de alto rendimiento y bajo consumo de energía.
"Este estudio muestra por primera vez que es posible pasar de un aislante topológico débil a un semimetal topológico utilizando una estrategia de dopaje magnético", dijo Jianping Wang, autor principal del artículo, profesor distinguido de la Universidad McKnight y catedrático Robert Hartmann en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. "Estamos buscando formas de extender la vida útil de los dispositivos electrónicos y al mismo tiempo reducir el consumo de energía, y estamos tratando de utilizar métodos no tradicionales y no convencionales para lograr este objetivo".
Los investigadores han estado estudiando 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 forma de película delgada. Wang dijo que debido a que su proceso es compatible con la industria, la tecnología podría adoptarse y utilizarse más fácilmente para fabricar dispositivos del mundo real.
"Usamos dispositivos electrónicos todos los días de nuestras vidas, desde teléfonos celulares hasta lavavajillas y hornos microondas. Todos usan chips. Todo consume energía", dijo Andre Mkhoyan, autor principal del artículo y profesor Ray D. y Mary T. Johnson de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales en la Universidad de Minnesota. "La pregunta es, ¿cómo minimizamos el consumo de energía? Esta investigación es un paso en esa dirección. Estamos desarrollando una nueva clase de materiales con propiedades similares o incluso mejores, pero con menor consumo de energía".
Como los investigadores crearon un material de tan alta calidad, también pudieron analizar cuidadosamente sus propiedades y lo que lo hace único.
"Desde una perspectiva física, una de las principales contribuciones de este trabajo 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 el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. "Normalmente, cuando se aplica un campo magnético, la resistencia longitudinal del material aumenta, pero en este material topológico particular, predijimos que la resistencia longitudinal disminuiría. Pudimos corroborar nuestra teoría con datos de transporte medidos y confirmar que existe una resistencia negativa".
Durante más de una década, Low, Mkhoyan y Wang han estado colaborando en materiales topológicos para dispositivos y sistemas electrónicos de próxima generación, investigación que no habría sido posible sin la combinación de sus respectivas experiencias en teoría y computación, crecimiento y caracterización de materiales, y fabricación de dispositivos. "Estudiar un tema tan importante y desafiante requiere no sólo una visión inspiradora, sino también una gran paciencia y un grupo de miembros dedicados en cuatro disciplinas, lo que hará posible la transición de esta tecnología del laboratorio a la industria", afirmó Wang.