Kuantum etkisi ve manyetizma: Grafen nano yaprakların yeni nesil transistörlerde kullanılmasına izin verin!
Kılavuz
Son zamanlarda, İtalyan Uluslararası İleri Araştırmalar Enstitüsü (SISSA) araştırma ekibi, küçük bir grafen nano-göl üzerinde çalıştı ve bu altıgen nano yapıda kuantum girişimini ve doğal manyetizmayı keşfetti. Bu araştırma, spintronik araştırmalarında bir başka önemli ilerleme haline geldi ve büyük uygulama beklentilerine sahip.
arka fon
Spin, parçacıkların kuantum mekaniksel özelliğidir. Spintronics veya "Spintronics", elektronların dönüşünü manipüle etmek için tasarlanmış son teknoloji bir teknolojidir. Geleneksel elektronik cihazlar, ilgili bilgi ve verileri iletmek ve işlemek için genellikle elektrik yüklerinin hareketiyle oluşturulan elektrik akımlarını kullanır. Bununla birlikte, spintronics bilgi taşıyıcıları olarak elektronların spinini veya manyetik momentini kullanır.
Spintronics'in ilgili uygulamaları şunları içerir: sabit disk kafaları, manyetik rasgele bellek, dönüş alanı emisyon transistörleri, dönüş ışığı yayan diyotlar vb. Geleneksel mikroelektronik cihazlarla karşılaştırıldığında spintronik cihazlar, yüksek depolama yoğunluğu, düşük enerji tüketimi ve hızlı yanıt gibi avantajlara sahiptir.
Spintronics, veri depolama ve veri işleme alanında kullanılabilir. Veri işleme açısından, lütfen önce iki örneğe bakın:
1) Dallas'taki Texas Üniversitesi'ndeki bilim adamları, grafen nanoribbonlar ve karbon nanotüplerden oluşan tamamen karbonlu bir spin mantık cihazı tasarlamak için spintronik ilkelerini kullandılar.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [3])
2) Hollanda'daki Groningen Üniversitesi'ndeki fizikçiler tarafından geliştirilen magnon tabanlı bir spin transistörü.
(Resim kaynağı: L. Cornelissen)
Veri depolama açısından, örneğin, Singapur Ulusal Üniversitesi tarafından icat edilen yeni ultra ince çok katmanlı film, veri depolama için el şeklindeki eğirme yapısı birimi "skyrmion" u etkili bir şekilde kullanabilir. Manyetik bir skyrmion yapısına sahip malzemelerin, gelecekte yüksek yoğunluklu, yüksek hızlı ve düşük enerjili manyetik spin depolama cihazlarının yapımı için ideal adaylar olması bekleniyor.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [4])
Bu nedenle, spintronics'ten aynı cihazdaki verilerin depolama ve işleme fonksiyonlarını entegre etmenin, veri belleği ile işlemci arasındaki hareketi engellemenin ve böylece bilgisayarın genel verimliliğini artırmanın, daha hızlı ve daha fazla enerji tasarrufu sağlamanın mümkün olduğunu hayal edebiliriz. Bilgisayar.
Yenilikçilik
Bugün, spintronik araştırmalarında bir başka önemli gelişmeyi tanıtmak istiyorum. Son zamanlarda, İtalya'daki Uluslararası İleri Araştırmalar Enstitüsü'nün (SISSA) bilimsel araştırma ekibi, nanoelektronik alanındaki uygulamalar için çok umut verici bir malzeme olacak küçük bir grafen nanosheet üzerinde çalıştı. Bu çalışmanın katılımcıları yakın zamanda Nano Letters'da ilgili makaleler yayınladı. Bu altıgen manyetik nano yapı, akımı modüle etmek için "kuantum etkisini" kullanabilir.
Aşağıdaki resmin solunda: manyetik nano yapraklardan oluşan bir döndürme filtresi. "Aşağı" veya "yukarı" dönen elektronlardan oluşan bir akım, cihaz boyunca eşit oranlarda akar. Dönme kanalındaki (örneğin aşağı doğru) yıkıcı girişim nedeniyle, çıkan akım genellikle yukarı doğru dönen elektronlardan oluşur. Aşağıdaki şeklin sağ tarafında: cihazın şematik diyagramı ve döndürme filtresinin verimlilik grafiği.
(Resim kaynağı: Angelo Valli)
Massimo Capone, teorik analiz ve bilgisayar simülasyonu kullanan araştırmaya öncülük etti. Son zamanlarda Massimo Capone, Physical Review Letters (Amerikan Fizik Derneği'nin ünlü bir dergisi) dergisi için olağanüstü bir hakem oldu. Makalenin yazarları arasında şunlar da bulunuyor: Angelo Valli, Adriano Amaricci, Valentina Brosco.
teknoloji
Angelo Valli ve Massimo Capone şöyle açıkladı: "Grafen nano-yaprakların özelliklerini analiz ederek iki temel olguyu gözlemleyebildik. Bu olguların her ikisi de gelecekteki olası uygulamalar için çok değerlidir."
İlk fenomen, bir kuantum fenomeni olan elektronlar arasındaki "girişim" dir: "Nanosheetlerde, akımı belirli bir konfigürasyonda ölçersek, elektronlar" yıkıcı "bir şekilde birbirleriyle etkileşirler. Bu, akım aktarımı olmadığı anlamına gelir.Bu, yalnızca çok mikroskobik ölçekte meydana gelen tipik bir kuantum fenomendir.Grafen pullarını inceleyerek, bu fenomeni daha büyük sistemlere getirmenin mümkün olduğunu düşünüyoruz, Böylece nano dünyaya girin ve bu fenomen bu seviyede gözlemlenebilir ve nanoelektronikte birden fazla olası kullanımı vardır. "İki araştırmacı bunu" Kuantum Girişim Transistörü "nde açıkladı. Olay, yıkıcı parazit "kapalı" durumdadır, ancak parazit koşulu hariç tutulduktan sonra "açık" durumdadır ve akımın akmasına izin verir.
Ancak araştırma burada bitmiyor. Araştırmacılar, nano yaprakların benzeri görülmemiş yeni manyetik özellikler sergilediğini gösterdi. Örneğin, grafen tabakasının tamamında: "Manyetizma, herhangi bir dış müdahale olmaksızın kenarda kendiliğinden belirir. Bu, bir spin akımı yaratacaktır."
değer
Araştırmacılar, kuantum girişim ve manyetik olayların birleşiminden sonra, spintronik alanında büyük potansiyele sahip olan neredeyse tam spin polarizasyonunun elde edilebileceğini açıkladılar. Bu özellikler, örneğin, depolama ve bilgi işleme teknolojisinde kullanılabilir, spin, ikili kod olarak anlaşılır. Elektron spini nicemlenir ve sadece iki olası duruma sahiptir (biz buna "yukarı" veya "aşağı" diyoruz), bu da bu materyalle gerçekleştirilmek için çok uygundur.
gelecek
Araştırmacılar, ilgili ekipmanın verimliliğini ve mevcut polarizasyon yüzdesini iyileştirmek için grafen pulları ile altıgen bor nitrür yüzeyi arasındaki etkileşimi öngören bir protokol geliştirdiler. Çalışmanın lideri Massimo Capone şu sonuca varmıştır: "Elde edilen sonuçlar çok ilginç. Bu fenomenin deneysel olarak test edilmesi ve teorik olarak tahmin edilen sonuçları doğrulamamıza izin verilmesi gerekiyor."
Anahtar kelime
Döndürme, elektron, manyetizma, grafen, nano
Referans
[1] https://www.sissa.it/sites/default/files/Nanoflakes_0.pdf
[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00453
3 Joseph S. Friedman ve diğerleri, Düşük boyutlu karbonlu Cascaded spintronic logic, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038 / ncomms15635
4 Pollard, SD, Garlow, JA, Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., and Yang, H. (2017, March 10). Lorentz ile kobalt / paladyum çok katmanlı stabil Néel skyrmionlarının gözlemlenmesi transmisyon elektron mikroskobu, Nature Communications.
