Mode förändras i avantgardevärlden för nästa generations datorkomponentmaterial. Traditionella halvledare som kisel släpper sina senaste nya linjer. Exotiska material som kallas topologiska isolatorer (TI) är på väg in. Och när det gäller kyla, kväve är det nya heliumet.

Detta visades tydligt i ett nytt experiment vid National Institute of Standards and Technology (NIST) som utfördes genom ett multinstitutionellt samarbete inklusive UCLA, NIST och Beijing Institute of Technology i Kina.

Topologiska isolatorer är en ny klass av material som upptäcktes för mindre än ett decennium sedan efter tidigare teoretiskt arbete, erkänd i Nobelpriset i fysik 2016, förutspådde att de kunde existera. Materialen är elektriska isolatorer på insidan och de leder elektricitet på den yttre ytan. De är spännande för datordesigner eftersom elektrisk ström färdas längs dem utan att tappa värme, vilket innebär att komponenter tillverkade av dem kan minska den höga värmeproduktion som plågar moderna datorer. De kan också utnyttjas en dag i kvantdatorer, som skulle utnyttja mindre välkända egenskaper hos elektroner, som deras snurr, att göra beräkningar på helt nya sätt. När TI leder elektricitet, alla elektroner som flyter i en riktning har samma snurr, en användbar egenskap som kvantdatordesigner kan utnyttja.

De speciella egenskaper som gör TI:er så spännande för teknologer observeras vanligtvis bara vid mycket låg temperatur, kräver vanligtvis flytande helium för att kyla materialen. Denna krav på extrem kyla gör inte bara att det är troligt att TI:er kommer att användas inom elektronik förrän detta problem är övervinnat, men det gör det också svårt att studera dem i första hand.

Vidare, att göra TI:er magnetiska är nyckeln till att utveckla spännande nya beräkningsenheter med dem. Men även att få dem till den punkt där de kan magnetiseras är en mödosam process. Två sätt att göra detta har varit att infusera, eller "dope, "TI med en liten mängd magnetisk metall och/eller för att stapla tunna lager av TI mellan alternerande lager av ett magnetiskt material som kallas ferromagnet. Men ökar dopningen för att driva temperaturen högre stör TI -egenskaperna, medan de alternativa lagrenas kraftfullare magnetism kan överväldiga TI:erna, gör dem svåra att studera.

För att komma runt dessa problem, UCLA -forskare försökte en annan substans för de alternerande skikten:en antiferromagnet. Till skillnad från de permanenta magneterna i ditt kylskåp, vars atomer alla har nordpoler som pekar i samma riktning, de flerskiktade antiferromagnetiska (AFM) materialen hade nordpoler som pekade en väg i ett lager, och motsatt sätt i nästa lager. Eftersom dessa lager magnetism avbryter varandra, den övergripande AFM har inte nettomagnetism - men ett enda lager av dess molekyler har det. Det var det yttersta lagret av AFM som UCLA -teamet hoppades kunna utnyttja.

Lyckligtvis, de fann att det yttersta lagrets påverkan magnetiserar TI, men utan den överväldigande kraft som de tidigare använda magnetiska materialen skulle medföra. Och de fann att det nya tillvägagångssättet tillät TI:erna att bli magnetiska och demonstrera alla TI:s tilltalande kännetecken vid temperaturer långt över 77 Kelvin - fortfarande för kallt för användning som konsumentelektronikkomponenter, men tillräckligt varmt för att forskare istället kan använda kväve för att kyla dem.

"Det gör dem mycket lättare att studera, "säger Alex Grutter från NIST Center for Neutron Research, som samarbetade med UCLA -forskarna för att klargöra samspelet mellan det övergripande materialets lager och dess spinnstruktur.

"Inte bara kan vi utforska TI:s fastigheter lättare, men vi är glada för en fysiker, Att hitta ett sätt att öka driftstemperaturen tyder dramatiskt på att det kan finnas andra tillgängliga sätt att öka den igen. Plötsligt, rumstemperatur -TI ser inte så långt utom räckhåll. "