Slutet på kiselåldern har börjat. När datorchips närmar sig de fysiska gränserna för miniatyrisering och energisugna processorer driver upp energikostnaderna, forskare letar efter en ny gröda av exotiska material som kan främja en ny generation beräkningsenheter som lovar att driva prestanda till nya höjder samtidigt som de sparar på energiförbrukningen.

Till skillnad från nuvarande kiselbaserad elektronik, som tappar det mesta av energin de förbrukar som spillvärme, framtiden handlar om lågeffektsberäkning. Känd som spintronics, denna teknik förlitar sig på en kvantfysisk egenskap hos elektroner - uppåt eller nedåt - för att bearbeta och lagra information, snarare än att flytta runt dem med elektricitet som konventionell datorer gör.

På jakten på att göra spintronic -enheter till verklighet, forskare vid University of Arizona studerar en exotisk gröda av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider, eller TMD. TMD:er har spännande egenskaper som lämpar sig för nya sätt att bearbeta och lagra information och kan utgöra grunden för framtida transistorer och solceller - och eventuellt även erbjuda en väg mot kvantberäkning.

Till exempel, nuvarande kiselbaserade solceller omvandlar realistiskt endast cirka 25 procent av solljuset till elektricitet, så effektivitet är ett problem, säger Calley Eads, en femteårs doktorand vid UA:s institution för kemi och biokemi som studerar några av egenskaperna hos dessa nya material. "Det kan bli en enorm förbättring där för att skörda energi, och dessa material kan eventuellt göra detta, " hon säger.

Det finns en fångst, dock:De flesta TMD visar bara sin magi i form av ark som är mycket stora, men bara en till tre atomer tunna. Sådana atomlager är tillräckligt utmanande att tillverka i laboratorieskala, än mindre i industriell massproduktion.

Många ansträngningar pågår för att designa atomiskt tunna material för kvantkommunikation, elektronik med låg effekt och solceller, enligt Oliver Monti, professor vid institutionen och Eads rådgivare. Studerar en TMD som består av alternerande lager av tenn och svavel, hans forskargrupp upptäckte nyligen en möjlig genväg, publicerad i tidningen Naturkommunikation .

"Vi visar att för några av dessa fastigheter, du behöver inte gå till de atomtunna arken, "säger han." Du kan gå till den mycket lättillgängliga kristallina formen som finns tillgänglig på hyllan. Några av fastigheterna räddas och överlever. "

Förstå elektronrörelse

Detta, självklart, kan förenkla enhetsdesign dramatiskt.

"Dessa material är så ovanliga att vi fortsätter att upptäcka mer och mer om dem, och de avslöjar några otroliga funktioner som vi tror att vi kan använda, men hur vet vi säkert? "säger Monti." Ett sätt att veta är genom att förstå hur elektroner rör sig i dessa material så att vi kan utveckla nya sätt att manipulera dem - till exempel, med ljus istället för elektrisk ström som konventionella datorer gör. "

För att göra denna forskning, laget var tvungen att övervinna ett hinder som aldrig hade rensats tidigare:räkna ut ett sätt att "titta på" enskilda elektroner när de flyter genom kristallerna.

"Vi byggde en väsentligen en klocka som kan förflytta elektroner som ett stoppur, "Säger Monti." Detta gjorde att vi kunde få de första direkta observationerna av elektroner att röra sig i kristaller i realtid. Tills nu, som bara hade gjorts indirekt, använder teoretiska modeller. "

Arbetet är ett viktigt steg mot att utnyttja de ovanliga egenskaperna som gör TMDs spännande kandidater för framtida behandlingsteknik, eftersom det kräver en bättre förståelse för hur elektroner beter sig och rör sig i dem.

Montis "stoppur" gör det möjligt att spåra rörliga elektroner med en upplösning på bara en attosekund - en miljarddel av en miljarddel av en sekund. Spåra elektroner inuti kristallerna, laget gjorde en annan upptäckt:Laddningsflödet beror på riktning, en observation som verkar flyga inför fysiken.

Samarbetar med Mahesh Neupane, en beräkningsfysiker vid Army Research Laboratories, och Dennis Nordlund, en röntgenspektroskopi-expert vid Stanford Universitys SLAC National Accelerator Laboratory, Montis team använde en avstämningsbar, högintensiv röntgenkälla för att excitera enskilda elektroner i sina testprover och höja dem till mycket höga energinivåer.

"När en elektron är upphetsad på det sättet, det motsvarar en bil som skjuts från att gå 10 miles i timmen till tusentals miles i timmen, "Monti förklarar." Den vill bli av med den enorma energin och falla tillbaka till sin ursprungliga energinivå. Den processen är extremt kort, och när det händer, det ger en specifik signatur som vi kan hämta med våra instrument. "

Forskarna kunde göra detta på ett sätt som gjorde det möjligt för dem att skilja om de upphetsade elektronerna stannade inom samma lager av materialet, eller spridas till intilliggande lager över kristallen.

"Vi såg att elektroner upphetsade på detta sätt spridda i samma lager och gjorde det extremt snabbt, i storleksordningen några hundra attosekunder, Säger Monti.

I kontrast, elektroner som korsade till intilliggande lager tog mer än 10 gånger längre tid att återgå till sitt markenergistatus. Skillnaden gjorde att forskarna kunde skilja mellan de två populationerna.

"Jag var mycket upphetsad över att hitta den riktade mekanismen för laddningsfördelning som förekommer i ett lager, i motsats till tvärlager, säger Eads, tidningens huvudförfattare. "Det hade aldrig observerats tidigare."

Närmare massproduktion

Röntgen "klockan" som används för att spåra elektroner är inte en del av de tänkta tillämpningarna utan ett sätt att studera beteendet hos elektroner inuti dem, Monti förklarar, ett nödvändigt första steg för att komma närmare teknik med de önskade egenskaperna som kan masstillverkas.

"Ett exempel på det ovanliga beteendet vi ser i dessa material är att en elektron som går till höger inte är samma sak som en elektron som går till vänster, "säger han." Det borde inte hända - enligt fysik för standardmaterial, att gå till vänster eller höger är exakt samma sak. Dock, för dessa material är det inte sant. "

Denna riktning är ett exempel på vad som gör TMD intressanta för forskare, eftersom den kan användas för att koda information.

"Att flytta till höger kan kodas som" en "och gå till vänster som" noll, '"Säger Monti." Så om jag kan generera elektroner som snyggt går till höger, Jag har skrivit en massa sådana, och om jag kan generera elektroner som snyggt går till vänster, Jag har genererat ett gäng nollor. "

Istället för att tillföra elektrisk ström, ingenjörer kan manipulera elektroner på detta sätt med hjälp av ljus som en laser, att optiskt skriva, läsa och bearbeta information. Och kanske en dag kan det till och med bli möjligt att optiskt trassla ihop information, rensa vägen till kvantberäkning.

"Varje år, fler och fler upptäckter sker i dessa material, "Säger Eads." De exploderar när det gäller vilken typ av elektroniska egenskaper du kan observera i dem. Det finns ett helt spektrum av sätt på vilka de kan fungera, från supraledande, halvledande för att isolera, och möjligen mer. "

Den forskning som beskrivs här är bara ett sätt att undersöka det oväntade, spännande egenskaper hos skiktade TMD -kristaller, enligt Monti.

"Om du gjorde detta experiment i kisel, du skulle inte se något av det här, "säger han." Kisel kommer alltid att bete sig som en tredimensionell kristall, oavsett vad du gör. Det handlar om skiktning. "