Forskare från Tel Aviv University har konstruerat världens minsta teknologi, med en tjocklek av endast två atomer. Enligt forskarna, den nya tekniken föreslår ett sätt att lagra elektrisk information i den tunnaste enheten som vetenskapen känner till, i ett av de mest stabila och inerta materialen i naturen. Den tillåtna kvantmekaniska elektrontunnlingen genom den atomärt tunna filmen kan öka informationsläsningsprocessen mycket utöver nuvarande teknologier.

Forskningen utfördes av forskare från Raymond and Beverly Sackler School of Physics and Astronomy och Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry. I gruppen ingår Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, Dr Wei Cao, Dr. Iftach Nevo, Prof. Eran Sela, Prof. Michael Urbakh, Prof. Oded Hod, och Dr. Moshe Ben Shalom. Verket är nu publicerat i Vetenskap tidskrift.

"Vår forskning härrör från nyfikenhet om beteendet hos atomer och elektroner i fasta material, som har genererat många av de teknologier som stöder vårt moderna sätt att leva, " säger Dr. Shalom. "Vi (och många andra vetenskapsmän) försöker förstå, förutspå, och till och med kontrollera de fascinerande egenskaperna hos dessa partiklar när de kondenserar till en ordnad struktur som vi kallar en kristall. I hjärtat av datorn, till exempel, ligger en liten kristallin enhet utformad för att växla mellan två tillstånd som indikerar olika svar – 'ja' eller 'nej, " 'upp' eller 'ner' etc. Utan denna dikotomi – det är inte möjligt att koda och bearbeta information. Den praktiska utmaningen är att hitta en mekanism som skulle möjliggöra omkoppling i en liten, snabb, och billig enhet."

Nuvarande toppmoderna enheter består av små kristaller som bara innehåller cirka en miljon atomer (ungefär hundra atomer på höjden, bredd, och tjocklek) så att en miljon av dessa enheter kan pressas in ungefär en miljon gånger i området för ett mynt, med varje enhet som växlar med en hastighet av cirka en miljon gånger per sekund.

Efter det tekniska genombrottet, forskarna kunde, för första gången, för att reducera tjockleken på de kristallina enheterna till endast två atomer. Dr Shalom betonar att en så tunn struktur gör det möjligt för minnen baserade på elektronernas kvantförmåga att hoppa snabbt och effektivt genom barriärer som bara är flera atomer tjocka. Således, det kan avsevärt förbättra elektroniska enheter när det gäller hastighet, densitet, och energiförbrukning.

I studien, forskarna använde ett tvådimensionellt material:en atomtjocka lager av bor och kväve, arrangerade i en repetitiv hexagonal struktur. I deras experiment, de kunde bryta denna kristalls symmetri genom att på konstgjord väg sammanfoga två sådana lager. "I sitt naturliga tredimensionella tillstånd, detta material består av ett stort antal lager placerade ovanpå varandra, med varje lager roterat 180 grader i förhållande till sina grannar (antiparallell konfiguration)", säger Dr. Shalom. "I labbet, vi kunde artificiellt stapla lagren i en parallell konfiguration utan rotation, som hypotetiskt placerar atomer av samma slag i perfekt överlappning trots den starka frånstötande kraften mellan dem (som följer av deras identiska laddningar). I själva verket, dock, kristallen föredrar att glida ett lager något i förhållande till det andra, så att bara hälften av varje lagers atomer är i perfekt överlappning, och de som överlappar är av motsatta laddningar – medan alla andra är placerade över eller under ett tomt utrymme – mitten av hexagonen. I denna konstgjorda staplingskonfiguration är skikten ganska olika från varandra. Till exempel, om i det översta lagret bara boratomerna överlappar varandra, i det nedre lagret är det tvärtom."

Dr Shalom lyfter också fram teoriteamets arbete, som genomförde många datorsimuleringar "Tillsammans skapade vi en djup förståelse för varför systemets elektroner ordnar sig precis som vi hade mätt i labbet. Tack vare denna grundläggande förståelse, vi förväntar oss fascinerande svar även i andra symmetri-brutna lagersystem, " han säger.

Maayan Wizner Stern, doktorsexamen student som ledde studien, förklarar att "symmetribrottet vi skapade i laboratoriet, som inte finns i den naturliga kristallen, tvingar den elektriska laddningen att omorganisera sig själv mellan lagren och generera en liten inre elektrisk polarisation vinkelrätt mot lagerplanet. När vi applicerar ett externt elektriskt fält i motsatt riktning glider systemet i sidled för att byta polarisationsorientering. Den switchade polarisationen förblir stabil även när det externa fältet stängs av. I detta liknar systemet tjocka tredimensionella ferroelektriska system, som används i stor utsträckning inom teknik idag."

"Förmågan att tvinga fram ett kristallint och elektroniskt arrangemang i ett så tunt system, med unika polarisations- och inversionsegenskaper till följd av de svaga Van der Waals-krafterna mellan lagren, är inte begränsad till bor- och kvävekristallen, ", tillägger Dr. Shalom. "Vi förväntar oss samma beteende i många skiktade kristaller med rätt symmetriegenskaper. Konceptet med glidning mellan lager som ett originellt och effektivt sätt att styra avancerade elektroniska enheter är mycket lovande, och vi har döpt den till Slide-Tronics."

Stern drar slutsatsen att de "är entusiastiska över att upptäcka vad som kan hända i andra stater som vi tvingar på naturen och förutspår att andra strukturer som kopplar ytterligare frihetsgrader är möjliga. Vi hoppas att miniatyrisering och bläddring genom glidning kommer att förbättra dagens elektroniska enheter, och dessutom, tillåta andra ursprungliga sätt att kontrollera information i framtida enheter. Förutom datorenheter, vi förväntar oss att denna teknik kommer att bidra till detektorer, energilagring och omvandling, interaktion med ljus, etc. Vår utmaning, som vi ser det, är att upptäcka fler kristaller med nya och hala frihetsgrader."