En samarbetsstudie ledd av University of Wollongong bekräftar omkopplingsmekanismen för en ny, föreslagen generation av topologisk elektronik med ultralåg energi.

Baserat på nya kvanttopologiska material skulle sådana anordningar "växla" en topologisk isolator från icke-ledande (konventionell elektrisk isolator) till ett ledande (topologiskt isolator) tillstånd, varvid elektrisk ström skulle kunna flyta längs dess kanttillstånd utan slöseri med energi.

Sådan topologisk elektronik skulle radikalt kunna minska energin som förbrukas inom datorer och elektronik, som beräknas förbruka 8 % av den globala elektriciteten, och fördubblas varje årtionde.

Under ledning av Dr. Muhammad Nadeem vid University of Wollongong (UOW), tog studien också in expertis från FLEET Center-medarbetare vid UNSW och Monash University.

Lösa bytesutmaningen

Tvådimensionella topologiska isolatorer är lovande material för topologiska kvantelektroniska enheter där kanttillståndstransport kan styras av ett grindinducerat elektriskt fält.

En stor utmaning med sådana elektriska fält-inducerade topologiska omkopplingar har dock varit kravet på ett orealistiskt stort elektriskt fält för att stänga det topologiska bandgapet.

FLEET-forskargruppen med tvärnod och tvärvetenskap studerade elektroniska egenskapers breddberoende för att bekräfta att en klass av material som kallas sicksack-Xene nanoband skulle uppfylla de nödvändiga villkoren för drift, nämligen:

1. Spinfiltrerade kirala kanttillstånd i sicksack-Xene nanoband förblir gapfria och skyddade mot bakåtspridning
2. Tröskelspänningen som krävs för att växla mellan gaplösa och gapade kanttillstånd minskar när materialets bredd minskar, utan någon grundläggande nedre gräns
3. Topologisk växling mellan kanttillstånd kan uppnås utan att huvuddelen (d.v.s. inre) bandgapet stängs och öppnas igen
4. Kvantbegränsade sicksack-Xene nanoband kan leda till utvecklingen av topologiska datortekniker med ultralåg energi.

Zigzag Xenes kan vara nyckeln

Grafen var det första bekräftade atomärt tunna materialet, ett 2D-ark av kolatomer (grupp IV) arrangerat i ett bikakegaller. Nu undersöks topologiska och elektroniska egenskaper för liknande bikakeskivor av grupp-IV och grupp-V-material, gemensamt kallade 2D-Xenes.

2D-Xener är topologiska isolatorer - det vill säga elektriskt isolerande i sitt inre men ledande längs deras kanter, där elektroner överförs utan att försvinna någon energi (liknar en supraledare). När ett 2D-Xene-ark skärs till ett smalt band som avslutas på "zigzag"-kanter, så kallade zigzag-Xene-nanoribbons, behåller det de ledande kantlägena som är karakteristiska för en topologisk isolator, som tros behålla sin förmåga att överföra ström utan spridning.

Det har nyligen visat sig att sicksack-Xene-nanoribbons har potential att göra en topologisk transistor som kan minska växlingsenergin med en faktor fyra.

Den nya forskningen ledd av UOW fann följande:

Underhålla kanttillstånd

Mätningar indikerade att spinnfiltrerade kirala kanttillstånd i sicksack-Xene nanoband förblir gapfria och skyddade mot bakåtspridning som orsakar motstånd, även med ändliga mellankantsöverlappningar i ultrasmala band (vilket betyder att ett 2D-kvantspin Hall-material genomgår en fas övergång till en 1D topologisk metall.) Detta drivs av kanttillstånden som flätas samman med inbyggda bandtopologidrivna energi-nolllägen.

"Kvantbegränsade sicksack-Xene-nanoribbons är en speciell klass av topologiska isoleringsmaterial där energigapet i bulkprovet ökar med en minskning i bredd, medan kanttillståndsledningen förblir robust mot förlust även om bredden reduceras till en kvasi- en dimension", säger FLEET-forskaren och medarbetare i den nya studien, docent Dmitrie Culcer (UNSW). "Denna egenskap hos instängda sicksack-Xene-nanoribbons står i skarp kontrast till andra 2D topologiska isoleringsmaterial där inneslutningseffekter också inducerar ett energigap i kanttillstånden."

Låg tröskelspänning

På grund av bredd- och momentumberoende avstämning av gate-inducerad inter-edge koppling, minskar tröskelspänningen som krävs för att växla mellan gapless och gaped edge states när materialets bredd minskar, utan någon grundläggande nedre gräns.

"Ett ultrasmalt sicksack-Xene-nanoribbon kan "växla" mellan en kvasi-endimensionell topologisk metall med ledande gapfria kanttillstånd och en vanlig isolator med gapade kanttillstånd med lite justering av en spänningsratt", säger huvudförfattaren Dr. Muhammad Nadeem (UOW).

"Den önskade justeringen av en spänningsratt minskar med minskad bredd på sicksack-Xene-nanoribbons, och lägre driftsspänning innebär att enheten kan använda mindre energi. Minskningen av spänningsrattens justering kommer till stånd på grund av en relativistisk kvanteffekt som kallas spin-orbit koppling och är mycket kontrasterande från orörda sicksack-Xene-nanorband som är vanliga isolatorer och där önskad spänningsknoppjustering ökar med minskad bredd."

Topologisk växling utan att bulkbandgap stängs

När bredden på sicksack-Xene nanoband är mindre än en kritisk gräns, kan topologisk växling mellan kanttillstånd uppnås utan att bulkbandgapet stängs och öppnas igen. Detta beror främst på kvantinneslutningseffekten på bulkbandspektrumet, vilket ökar det icke-triviala bulkbandgapet med minskad bredd.

"Detta beteende är nytt och skiljer sig från 2D topologiska isolatorer, där bandgap stängning och återöppning alltid krävs för att ändra det topologiska tillståndet", säger professor Michael Fuhrer (Monash). "Breda sicksack-Xene-nanoribbons fungerar mer som 2D-fallet, där grindens elektriska fält växlar kanttillståndskonduktans samtidigt som de stänger och öppnar bulkbandgapet."

"I närvaro av spin-omloppskoppling, omkullkastar [en] topologisk omkopplingsmekanism i sicksack-Xene-nanoribbons med stora gap den allmänna klokheten att använda material med smala gap och breda kanaler för att minska tröskelspänningen i en standard fälteffekttransistoranalys ," säger professor Xiaolin Wang (UOW).

"Dessutom har [en] topologisk kvantfälteffekttransistor som använder sicksack-Xene-nanoribbons som ett kanalmaterial flera fördelar med tekniska krångligheter involverade i design och tillverkning", säger prof Alex Hamilton (UNSW).

Till skillnad från MOSFET-teknologin, där storleksberoendet av tröskelspänningen är trasslat med isoleringstekniker, är minskningen av tröskelspänningen i en topologisk kvantfälteffekttransistor en inneboende egenskap hos sicksack-Xene-nanorband som är associerade med topologiska och kvantmekaniska funktioner.

Tillsammans med mycket olika lednings- och omkopplingsmekanismer skiljer sig de tekniska aspekterna som krävs för att tillverka en topologisk kvantfälteffekttransistor med sicksack-Xene-nanorband också radikalt från MOSFET:s:Det finns inga grundläggande krav på specialiserade teknologiska/isoleringstekniker för en låg- spänning TQFET med en energieffektiv kopplingsmekanism.

Med bevarad ON-state topologisk robusthet och minimal tröskelspänning kan kanalbredden reduceras till en nästan endimensionell. Detta möjliggör optimerad geometri för en topologisk kvantfälteffekttransistor med förbättrat signal-brusförhållande via flera kanttillståndskanaler. + Utforska vidare

Switching conduction mode – ett steg mot topologiska transistorer