Miljarder små transistorer levererar processorkraft i moderna smartphones, styr flödet av elektroner med snabb av- och påkoppling.

Men ständiga framsteg när det gäller att packa fler transistorer i mindre enheter driver mot de fysiska gränserna för konventionella material. Vanliga ineffektiviteter i transistormaterial orsakar energiförlust som resulterar i värmeuppbyggnad och kortare batteritid, så forskare är på jakt efter alternativa material som gör att enheter kan arbeta mer effektivt med lägre effekt.

Nu, ett experiment som utförts vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har visat, för första gången, elektronisk växling i en exotisk, ultratunt material som kan bära en laddning med nästan noll förlust vid rumstemperatur. Forskare visade denna växling när de utsatte materialet för ett lågströms elektriskt fält.

Laget, som leddes av forskare vid Monash University i Australien och inkluderade forskare från Berkeley Lab, odlade materialet från grunden och studerade det med röntgenstrålar vid Advanced Light Source (ALS), en anläggning vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Materialet, känd som natriumvismutid (Na3Bi), är ett av två material som är känt för att vara en "topologisk Dirac -halvmetall, "vilket betyder att den har unika elektroniska egenskaper som kan ställas in för att bete sig på olika sätt - i vissa fall mer som ett konventionellt material och i andra fall mer som ett topologiskt material. Dess topologiska egenskaper bekräftades först i tidigare experiment vid ALS.

Topologiska material anses vara lovande kandidater för nästa generations transistorer, och för andra elektronik- och datatillämpningar, på grund av deras potential att minska energiförlust och strömförbrukning i enheter. Dessa egenskaper kan existera vid rumstemperatur - en viktig skillnad från superledare som kräver extrem kylning - och kan bestå även när materialen har strukturella defekter och utsätts för stress.

Material med topologiska egenskaper är i fokus för intensiv forskning från det globala vetenskapliga samfundet (se en relaterad artikel), och 2016 delades Nobelpriset i fysik ut för teorier relaterade till topologiska egenskaper i material.

Lätt att byta material som studerats vid ALS från ett elektriskt ledande tillstånd till ett isolerande, eller icke-ledande tillstånd, lovar gott för sina framtida transistortillämpningar, sa Sung-Kwan Mo, en personalvetare vid ALS som deltog i den senaste studien. Studien är detaljerad i tidningen 10 december Natur .

En annan viktig aspekt av den senaste studien är att teamet från Monash University hittade ett sätt att växa det extremt tunt, ner till ett enda lager arrangerat i ett bikakemönster av natrium- och vismutatomer, och för att kontrollera tjockleken på varje lager de skapar.

"Om du vill skapa en enhet, du vill göra det tunt, "Mo sa." Denna studie visar att det kan göras för Na3Bi, och dess elektriska egenskaper kan enkelt styras med låg spänning. Vi är ett steg närmare en topologisk transistor. "

Michael Fuhrer, en fysiker vid Monash University som deltog i studien, sa, "Denna upptäckt är ett steg i riktning mot topologiska transistorer som kan förändra beräkningsvärlden."

Han lade till, "Topologisk elektronik med mycket låg energi är ett potentiellt svar på den ökande utmaningen med energi som slösas bort i modern datoranvändning. Informations- och kommunikationsteknik förbrukar redan 8 procent av global el, och det fördubblas varje decennium. "

I den senaste studien, forskare odlade materialproverna, mäter flera millimeter på en sida, på en kiselskiva under ultrahögt vakuum vid ALS Beamline 10.0.1 med användning av en process som kallas molekylär stråleepitaxi. Strållinjen tillåter forskare att odla prover och sedan utföra experiment under samma vakuumförhållanden för att förhindra kontaminering.

Denna strållinje är specialiserad på en röntgenteknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES, som ger information om hur elektroner reser i material. I typiska topologiska material, elektroner flyter runt materialets kanter, medan resten av materialet fungerar som en isolator som förhindrar detta flöde.

Vissa röntgenförsök på liknande prover utfördes också vid Australian Synchrotron för att visa att det ultratunna Na3Bi var fristående och inte interagerade kemiskt med kiselskivan som det odlades på. Forskare hade också studerat prover med ett skanningstunnelmikroskop vid Monash University som hjälpte till att bekräfta andra mätningar.

"I dessa kantvägar, elektroner kan bara färdas i en riktning, "sa Mark Edmonds, en fysiker vid Monash University som ledde studien. "Och det betyder att det inte kan finnas någon" back-scattering, 'vilket är det som orsakar elektrisk motstånd i konventionella elektriska ledare. "

I detta fall, forskare fann att det ultratunna materialet blev helt ledande när det utsattes för det elektriska fältet, och kan också bytas till att bli en isolator över hela materialet när det utsätts för ett något högre elektriskt fält.

Mo sa att den elektriskt drivna omkopplingen är ett viktigt steg för att förverkliga applikationer för material - några andra forskningsinsatser har drivit mekanismer som kemisk dopning eller mekanisk belastning som är mer utmanande att kontrollera och att utföra omkopplingsoperationen.

Forskargruppen driver andra prover som kan slås på och av på ett liknande sätt för att styra utvecklingen av en ny generation ultralåg energielektronik, Sa Edmonds.