Silicon har få seriösa konkurrenter som det valda materialet inom elektronikindustrin. Ändå transistorer, de omkopplingsbara ventilerna som styr flödet av elektroner i en krets, kan inte bara fortsätta krympa för att möta behoven hos mäktiga, kompakta enheter; fysiska begränsningar som energiförbrukning och värmeavledning är för betydande.

Nu, använda ett kvantmaterial som kallas en korrelerad oxid, Harvard-forskare har uppnått en reversibel förändring i elektriskt motstånd på åtta storleksordningar, ett resultat som forskarna kallar "kolossalt". Kortfattat, de har konstruerat detta material för att prestera jämförbart med de bästa kiselomkopplarna.

Fyndet uppstod på vad som kan tyckas en osannolik plats:ett laboratorium som vanligtvis ägnas åt att studera bränsleceller - den typ som drivs på metan eller väte - som leds av Shriram Ramanathan, Docent i materialvetenskap vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Forskarnas förtrogenhet med tunna filmer och jontransport gjorde det möjligt för dem att utnyttja kemin, snarare än temperatur, för att uppnå det dramatiska resultatet.

Eftersom de korrelerade oxiderna kan fungera lika bra vid rumstemperatur eller några hundra grader över den, det skulle vara lätt att integrera dem i befintliga elektroniska enheter och tillverkningsmetoder. Upptäckten, publiceras i Naturkommunikation , etablerar därför bestämt korrelerade oxider som lovande halvledare för framtida tredimensionella integrerade kretsar såväl som för adaptiva, avstämbara fotoniska enheter.

Utmanande kisel

Även om elektroniktillverkare fortsätter att packa högre hastighet och funktionalitet i mindre paket, prestandan hos kiselbaserade komponenter kommer snart att slå en vägg.

"Traditionella kiseltransistorer har grundläggande skalningsbegränsningar, " säger Ramanathan. "Om du krymper dem utöver en viss minimistorlek, de beter sig inte riktigt som de borde."

Ändå är kiseltransistorer svåra att slå, med ett på/av-förhållande på minst 10^4 som krävs för praktisk användning. "Det är en ganska hög ribba att korsa, " Ramanathan förklarar, tillägger att fram till nu, experiment med korrelerade oxider har producerat förändringar på endast omkring en faktor 10, eller högst 100, nära rumstemperatur. Men Ramanathan och hans team har skapat en ny transistor, gjord främst av en oxid som kallas samariumnickelat, som i praktisk drift uppnår ett på/av-förhållande som är större än 10^5, dvs. jämförbar med toppmoderna kiseltransistorer.

I framtida arbete kommer forskarna att undersöka enhetens kopplingsdynamik och effektförlust; under tiden, detta framsteg representerar ett viktigt bevis på konceptet.

"Vår orbitaltransistor kan verkligen tänja på gränserna för detta område och säga, vet du vad? Detta är ett material som kan utmana kisel, " säger Ramanathan.

Kemisk dopning i fast tillstånd

Materialforskare har studerat familjen av korrelerade oxider i flera år, men fältet är fortfarande i sin linda, med mest forskning som syftar till att fastställa materialens grundläggande fysikaliska egenskaper.

"Vi har precis upptäckt hur man dopar dessa material, vilket är ett grundläggande steg i användningen av vilken halvledare som helst, säger Ramanathan.

Doping är processen att introducera olika atomer i kristallstrukturen av ett material, och det påverkar hur lätt elektroner kan röra sig genom det - det vill säga, i vilken utsträckning den motstår eller leder elektricitet. Dopning påverkar vanligtvis denna förändring genom att öka antalet tillgängliga elektroner, men denna studie var annorlunda. Harvard-teamet manipulerade bandgapet, energibarriären för elektronflöde.

"Genom ett visst val av dopmedel - i det här fallet, väte eller litium – vi kan vidga eller minska bandgapet i detta material, att deterministiskt flyttar elektroner in och ut ur sina orbitaler, " säger Ramanathan. Det är ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt än vad som används i andra halvledare. Den traditionella metoden ändrar energinivån för att nå målet; den nya metoden flyttar själva målet.

I denna orbitaltransistor, protoner och elektroner rör sig in eller ut ur samariumnickelatet när ett elektriskt fält appliceras, oavsett temperatur, så att enheten kan användas under samma förhållanden som konventionell elektronik. Det är solid state, vilket betyder att det inte innehåller några vätskor, gaser, eller rörliga mekaniska delar. Och, i frånvaro av makt, materialet minns sitt nuvarande tillstånd – en viktig egenskap för energieffektivitet.

"Det är det fina med det här arbetet, " säger Ramanathan. "Det är en exotisk effekt, men i princip är den mycket kompatibel med traditionella elektroniska enheter."

Kvantmaterial

Till skillnad från kisel, samariumnickelat och andra korrelerade oxider är kvantmaterial, vilket innebär att kvantmekaniska interaktioner har ett dominerande inflytande över materialegenskaperna – och inte bara i små skalor.

"Om du har två elektroner i angränsande orbitaler, och orbitalen är inte helt fyllda, i ett traditionellt material kan elektronerna röra sig från en orbital till en annan. Men i de korrelerade oxiderna, elektronerna stöter bort varandra så mycket att de inte kan röra sig, " Ramanathan förklarar. "Beläggningen av orbitaler och förmågan hos elektroner att röra sig i kristallen är mycket nära sammankopplade - eller "korrelerade." I grunden det är det som avgör om materialet beter sig som en isolator eller en metall."

Ramanathan och andra på SEAS har framgångsrikt manipulerat metallisolatorövergången i vanadinoxid, för. Under 2012, de visade en avstämbar enhet som kan absorbera 99,75 % av infrarött ljus, ser svarta ut för infraröda kameror.

Liknande, samariumnickelat kommer sannolikt att fånga uppmärksamheten hos tillämpade fysiker som utvecklar fotoniska och optoelektroniska enheter.

"Att öppna och stänga bandgapet innebär att du nu kan manipulera hur elektromagnetisk strålning interagerar med ditt material, " säger Jian Shi, huvudförfattare till tidningen i Naturkommunikation . Han avslutade forskningen som postdoktor i Ramanathans labb vid Harvard SEAS och började på fakulteten vid Rensselaer Polytechnic Institute i höstas. "Bara genom att applicera ett elektriskt fält, du styr dynamiskt hur ljus interagerar med detta material."

Längre fram, Forskare vid Center for Integrated Quantum Materials, etablerades vid Harvard 2013 genom ett anslag från National Science Foundation, Målet är att utveckla en helt ny klass av kvantelektroniska enheter och system som kommer att transformera signalbehandling och beräkning.

Ramanathan jämför det nuvarande tillståndet för kvantmaterialforskning med 1950-talet, när transistorer nyligen uppfanns och fysiker fortfarande förstod dem. "Vi är i princip i den eran för dessa nya kvantmaterial, " säger han. "Det här är en spännande tid att tänka på att etablera det grundläggande, grundläggande egenskaper. Under det kommande decenniet eller så, det här kan verkligen mogna till en mycket spännande enhetsplattform."