Ett forskargrupp som leds av Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en teknik som kan leda till nya elektroniska material som överträffar de begränsningar som Moores lag ställer, som förutspådde 1975 att antalet transistorer packade i ett litet kiselbaserat datorchip skulle fördubblas vartannat år. Deras resultat rapporterades i tidningen Naturkommunikation .

I sökandet efter nya material med potential att överträffa kisel, forskare har velat dra nytta av de ovanliga elektroniska egenskaperna hos 2-D-enheter som kallas oxid-heterostrukturer, som består av atomiskt tunna skikt av material som innehåller syre.

Forskare har länge vetat att oxidmaterial, själva, är vanligtvis isolerande – vilket betyder att de inte är elektriskt ledande. När två oxidmaterial lagras samman för att bilda en heterostruktur, nya elektroniska egenskaper som supraledning - det tillstånd där ett material kan leda elektricitet utan motstånd, vanligtvis vid hundratals grader under fryspunkten - och magnetism på något sätt bildas vid deras gränssnitt, vilket är tillfället där två material möts. Men mycket lite är känt om hur man kontrollerar dessa elektroniska tillstånd eftersom få tekniker kan sondera under gränssnittet.

Nu, det Berkeley Lab-ledda teamet-regisserat av Alessandra Lanzara, en senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i fysik vid UC Berkeley - har visat en teknik som belyser produktionen av nya exotiska tillstånd, såsom supraledning från atomärt tunna oxidheterostrukturer.

På Berkeley Labs avancerade ljuskälla, forskarna använde en speciell teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) för att direkt mäta den elektroniska strukturen hos elektroner som är begränsade mellan lager av en strontiumtitanat/samariumtitanat-heterostruktur.

Undersökning på ungefär 1 nanometer (en miljarddels meter) inuti provet, forskarna upptäckte två unika elektroniska egenskaper – kallad Van Hove-singularitet (VHS) och Fermi-yttopologi – som fysiker av kondenserad materia länge har ansett viktiga egenskaper för att ställa in supraledning och andra sådana exotiska elektroniska tillstånd i elektroniska material.

Forskarnas observation av VHS- och Fermi-yt-topologi vid gränssnittet mellan atomtunna oxidmaterial för första gången tyder på att systemet är en idealisk plattform för att undersöka hur supraledning kan kontrolleras i atomskala i 2-D-material.

"Våra resultat lägger till ny information till detta unga område. Även om vägen mot industriell användning av oxidelektronik fortfarande är långt, vårt arbete är ett steg framåt i utvecklingen av nästa generations alternativ till traditionell elektronik bortom Moores lag, " sa huvudförfattaren Ryo Mori, doktorand vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och doktorsexamen student i fysik vid UC Berkeley.

Forskarna planerar därefter att ytterligare undersöka hur elektroniska egenskaper som Van Hove -singulariteter förändras vid högre temperaturer och olika spänningar.