Forskare vid MIT säger att de har genomfört en teoretisk analys som visar att en familj av tvådimensionella material uppvisar exotiska kvantegenskaper som kan möjliggöra en ny typ av elektronik i nanoskala.

Dessa material förutspås visa ett fenomen som kallas quantum spin Hall (QSH) effekt, och tillhör en klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider, med lager några atomer tjocka. Resultaten är detaljerade i ett papper som visas denna vecka i tidskriften Vetenskap , medförfattare av MIT postdocs Xiaofeng Qian och Junwei Liu; biträdande professor i fysik Liang Fu; och Ju Li, en professor i kärnkraftsvetenskap och ingenjörsvetenskap och materialvetenskap och teknik.

QSH-material har den ovanliga egenskapen att vara elektriska isolatorer i huvuddelen av materialet, men ändå mycket ledande på sina kanter. Detta kan möjligen göra dem till ett lämpligt material för nya typer av kvantelektroniska enheter, tror många forskare.

Men bara två material med QSH-egenskaper har syntetiserats, och potentiella tillämpningar av dessa material har hindrats av två allvarliga nackdelar:deras bandgap, en egenskap som är avgörande för tillverkning av transistorer och andra elektroniska enheter, är för liten, ger ett lågt signal-brusförhållande; och de saknar förmågan att snabbt slå på och av. Nu säger MIT-forskarna att de har hittat sätt att potentiellt kringgå båda hindren med hjälp av 2D-material som har utforskats för andra ändamål.

Befintliga QSH-material fungerar endast vid mycket låga temperaturer och under svåra förhållanden, Fu säger, och tillägger att "materialen vi förutspådde att uppvisa denna effekt är allmänt tillgängliga. ... Effekterna kunde observeras vid relativt höga temperaturer."

"Det som upptäcks här är ett äkta 2D-material som har denna [QSH] egenskap, "Säger Li." Kanterna är som perfekta kvanttrådar. "

MIT-forskarna säger att detta kan leda till nya typer av lågeffekts kvantelektronik, liksom spintronics -enheter - ett slags elektronik där elektronernas snurr, snarare än deras elektriska laddning, används för att bära information.

grafen, en tvådimensionell, en atomtjock form av kol med ovanliga elektriska och mekaniska egenskaper, har varit föremål för mycket forskning, vilket har lett till ytterligare forskning om liknande 2D-material. Men tills nu, få forskare har undersökt dessa material för möjliga QSH-effekter, säger MIT-teamet. "Tvådimensionella material är ett mycket aktivt område för många potentiella tillämpningar, " säger Qian - och detta teams teoretiska arbete visar nu att minst sex sådana material delar dessa QSH-egenskaper.

MIT-forskarna studerade material som kallas övergångsmetalldikalkogenider, en familj av föreningar gjorda av övergångsmetallerna molybden eller volfram och icke -metaller tellur, selen, eller svavel. Dessa föreningar bildar naturligt tunna ark, bara atomer tjocka, som spontant kan utveckla ett dimeriseringsmönster i sin kristallstruktur. Det är denna gitterdimerisering som producerar effekterna som studerats av MIT-teamet.

Även om det nya verket är teoretiskt, teamet tog fram en design för en ny typ av transistor baserad på de beräknade effekterna. Kallas en topologisk fälteffekttransistor, eller TFET, designen är baserad på ett enda lager av 2-D-materialet som är inklämt av två lager 2-D-bornitrid. Forskarna säger att sådana enheter kan produceras med mycket hög densitet på ett chip och ha mycket låga förluster, möjliggör högeffektiv drift.

Genom att applicera ett elektriskt fält på materialet, QSH-tillståndet kan slås på och av, möjliggör en mängd elektroniska och spintroniska enheter, de säger.

Dessutom, detta är ett av de mest lovande kända materialen för möjlig användning i kvantdatorer, säger forskarna. Kvantberäkningar är vanligtvis känsliga för störningar — tekniskt sett, en förlust av koherens — från även mycket små störningar. Men, Li säger, topologiska kvantdatorer "kan inte förlora koherens från små störningar. Det är en stor fördel för kvantinformationsbehandling."

Eftersom så mycket forskning redan pågår om dessa 2D-material för andra ändamål, metoder för att göra dem effektivt kan utvecklas av andra grupper och kan sedan användas för att skapa nya elektroniska QSH-enheter, säger Qian.

Nai Phuan Ong, en professor i fysik vid Princeton University som inte var kopplad till detta arbete, säger, "Även om några av idéerna har nämnts tidigare, det nuvarande systemet verkar särskilt lovande. Detta spännande resultat kommer att överbrygga två mycket aktiva delområden av den kondenserade materiens fysik, topologiska isolatorer och dikalkogenider."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.