Bygga på flygvapnets behov av att utveckla tekniska enheter som kräver minimal laddning i fältet, University of Texas i San Antonio (UTSA) använder principer inom kvantvetenskap och teknik för att bygga en grafenbaserad logisk enhet. Denna nya teknik kommer att förbättra energieffektiviteten för batteriberoende enheter från mobiltelefoner till datorer.

"Vi utvecklar enheter som kan fungera nästan batterilöst, "sade Ethan Ahn, UTSA biträdande professor i elektroteknik.

UTSA -ingenjörer använder spintronics, studiet av en elektrons inneboende kvantmekaniska egenskap som kallas spin, för att tillåta lågeffektdrift med en möjlig applikation inom kvantberäkning.

"En elektron är lite, men mycket stark magnet, ", sa Ahn. "Föreställ dig att en elektron snurrar på sin egen axel, antingen upp eller ner. "

Traditionella tekniska enheter använder den elektroniska laddningen av elektroner för kraft. Inom spintronik, forskare utnyttjar elektronernas inneboende spinn som en ny kraftkälla. Med detta nya tillvägagångssätt, enheter kommer att kräva färre elektroner för att fungera.

Det finns hinder, dock, att utnyttja kraften i spinn. Vid kvantberäkning som utnyttjar elektronernas snurr för att överföra information, utmaningen för forskarna är hur man fångar spinn så effektivt som möjligt.

"Om du har 100 elektroner injicerade i kanalen för att driva nästa logikkrets, du kanske bara får använda ett eller två snurr eftersom injektionseffektiviteten är mycket låg. Detta är förlorat 98 procent snurr, "sa Ahn.

För att förhindra förlust av spinn, Ahn har utvecklat den nya idén om "zero-power carbon interconnect" genom att använda nanomaterial som både spinntransportkanalen och tunnelbarriären. Dessa nanomaterial är som ett pappersark, ett tvådimensionellt lager av kolatomer med bara några nanometer tjocklek, och det är kontaktpunkten där centrifugeringsinjektion matas in i enheten. Ahns prototyp är en sammankoppling byggd med ett reducerat grafenoxidskikt.

"Det är nytt eftersom vi använder grafen, ett nanomaterial, för att förbättra spinninjektionen. Genom att kontrollera mängden oxid på grafenlagren, vi kan finjustera elektronernas ledningsförmåga, "sa Ahn.

Graphene har en utbredd dragningskraft eftersom det är världens starkaste nanomaterial. Faktiskt, rumstemperaturens konduktivitet för grafen är högre än för något annat känt material.

Om det lyckas, nollkraftkolanslutningen som Ahn skapar med sina medarbetare vid UT-Austin och Michigan State University skulle integreras i logikkomponenten i ett datorchip.

Enheten, en gång utvecklad, kommer att lämnas till U.S. Air Force Office of Scientific Research, som stöder UTSA:s arbete med ett treårigt bidrag.

"Militären behöver mindre enheter som kan fungera på avlägsna fält utan att behöva ladda batterier, "sa Ahn." Om vår nolleffektkolanslutning är framgångsrik, det kommer att förbättra effektiviteten hos grafenspintronik-ett avgörande steg för att utveckla nästa generations lågeffektelektronik som kvantberäkning. "

Denna sammankoppling kan också vara mycket fördelaktig för molndataindustrin. Enligt Data Knowledge Center, on-demand cloud computing-plattformar som Amazon Web Services enbart förbrukar cirka två procent av landets energi. Om nollkraftkolanslutningen är framgångsrik, molnservrar som de som erbjuder streamingtjänster som Netflix eller värddata, kan fungera snabbare och med mindre el.