Forskare från University of Texas i Dallas har skapat teknik som kan vara det första steget mot bärbara datorer med fristående strömkällor eller, mer omedelbart, en smartphone som inte dör efter några timmars hård användning.

Denna teknik, publiceras online i Naturkommunikation , utnyttjar kraften hos en enskild elektron för att kontrollera energiförbrukningen inuti transistorer, som är kärnan i de flesta moderna elektroniska system.

Forskare från Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science fann att genom att lägga till ett specifikt atomärt tunt filmskikt till en transistor, skiktet fungerade som ett filter för energin som passerade genom det vid rumstemperatur. Signalen som resulterade från enheten var sex till sju gånger brantare än den för traditionella enheter. Branta enheter använder mindre spänning men har fortfarande en stark signal.

"Hela halvledarindustrin letar efter branta enheter eftersom de är nyckeln till att ha små, kraftfull, mobila enheter med många funktioner som fungerar snabbt utan att förbruka mycket batteri, " sa Dr Jiyoung Kim, professor i materialvetenskap och teknik vid Jonssonskolan och författare till tidningen. "Vår enhet är en lösning för att få detta att hända."

Att utnyttja det unika och subtila beteendet hos en enskild elektron är det mest energieffektiva sättet att överföra signaler i elektroniska enheter. Eftersom signalen är så liten, den kan lätt spädas ut av termiska ljud vid rumstemperatur. För att se denna kvantsignal, ingenjörer och forskare som bygger elektroniska enheter använder vanligtvis externa kylningstekniker för att kompensera för den termiska energin i elektronmiljön. Filtret som skapats av UT Dallas-forskarna är en väg för att effektivt filtrera bort det termiska bruset.

Dr Kyeongjae "K.J." Cho, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och fysik och en författare till tidningen, enades om att transistorer tillverkade av denna filtreringsteknik skulle kunna revolutionera halvledarindustrin.

"Att behöva kyla den termiska spridningen i moderna transistorer begränsar hur små konsumentelektronik kan tillverkas, sa Cho, som använde avancerade modelleringstekniker för att förklara labbfenomenen. "Vi utarbetade en teknik för att kyla elektronerna internt - vilket möjliggör minskning av driftspänningen - så att vi kan skapa ännu mindre, mer energieffektiva enheter."

Varje gång en enhet som en smartphone eller en surfplatta beräknar den kräver ström för drift. Att minska driftspänningen skulle innebära längre hållbarhet för dessa produkter och andra. Enheter med lägre effekt kan innebära datorer som bärs med eller ovanpå kläder som inte kräver en extern strömkälla, bland annat.

För att skapa denna teknik, forskare lade till en tunn film av kromoxid på enheten. Det lagret, vid rumstemperatur på cirka 80 grader Fahrenheit, filtrerade kylaren, stabila elektroner och gav enheten stabilitet. I vanliga fall, den stabiliteten uppnås genom att kyla hela den elektroniska halvledarenheten till kryogena temperaturer - cirka minus 321 grader Fahrenheit.

En annan innovation som användes för att skapa denna teknik var ett vertikalt lagersystem, vilket skulle vara mer praktiskt när enheterna blir mindre.

"Ett sätt att krympa storleken på enheten är att göra den vertikal, så strömmen flyter uppifrån och ner istället för den traditionella vänster till höger, sa Kim, som lade det tunna lagret till enheten.

Labtestresultat visade att enheten vid rumstemperatur hade en signalstyrka av elektroner som liknar konventionella enheter vid minus 378 grader Fahrenheit. Signalen bibehöll alla andra egenskaper. Forskare kommer också att prova denna teknik på elektroner som manipuleras genom optoelektroniska och spintroniska – lätta och magnetiska – medel.

Nästa steg är att utöka detta filtreringssystem till halvledare tillverkade i Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) teknologi.

"Det förflutnas elektronik var baserad på vakuumrör, " sade Cho. "De här enheterna var stora och krävde mycket kraft. Sedan gick fältet till bipolära transistorer tillverkade i CMOS-teknik. Vi står nu återigen inför en energikris, och det här är en lösning för att minska energin när enheterna blir mindre och mindre."