ミネソタ大学ツインシティーズ校の研究チームは、エネルギー消費を劇的に削減しながら、より優れたコンピューティング能力とメモリストレージを生み出す可能性を秘めたユニークなトポロジカル半金属材料膜を初めて合成した。さらに、チームは材料を注意深く研究し、その独特の特性の背後にある物理学について重要な洞察を得ました。
この研究は最近、Nature Communications誌に掲載されました。
米国における最近の CHIPS および科学法から明らかなように、半導体製造を拡大し、あらゆる場所の電子デバイスに動力を供給する材料の開発に使用される研究を支援する必要性が高まっています。従来の半導体は今日のほとんどのコンピューター チップの背後にあるテクノロジーですが、科学者やエンジニアは、エレクトロニクスをより良く、より小さく、より効率的にするために、より少ない電力でより多くの電力を生成できる新しい材料を常に探しています。
この新しいクラスの改良型コンピューターチップの候補材料の 1 つは、トポロジカル半金属と呼ばれる量子材料のクラスです。これらの材料内の電子はさまざまな方法で動作し、電子デバイスで使用される一般的な絶縁体や金属には見られない独特の特性を材料に与えます。したがって、これらの材料はスピントロニクスデバイスでの使用が検討されています。スピントロニクス デバイスは、電荷の代わりに電子のスピンを使用してデータを保存し、情報を処理する従来の半導体デバイスの代替品です。
新しい研究では、ミネソタ大学の学際的研究チームがそのような薄膜材料の合成に成功し、その高性能と低エネルギー消費の可能性を実証した。
「この研究は、磁性ドーピング戦略を使用して、弱いトポロジカル絶縁体からトポロジカル半金属に転移することが可能であることを初めて示した」と論文の上級著者であり、マックナイト大学の特別教授であり、ミネソタ大学の電気・コンピュータ工学科のロバート・ハートマン教授でもあるJianping Wang氏は述べた。 「私たちはエネルギー消費を削減しながら電子機器の寿命を延ばす方法を模索しており、この目標を達成するために非伝統的かつ型破りな方法を使用しようとしています。」
研究者たちは何年にもわたってトポロジカル材料を研究してきましたが、ミネソタ大学のチームは、特許取得済みの業界互換のスパッタリングプロセスを初めて使用して、この半金属を薄膜の形で作成しました。ワン氏は、彼らのプロセスは産業と互換性があるため、この技術はより簡単に採用され、現実世界のデバイスの製造に使用できる可能性があると述べた。
「私たちは生活の中で、携帯電話から食器洗い機、電子レンジに至るまで、電子機器を毎日使用しています。それらはすべてチップを使用しています。すべてがエネルギーを消費します」と論文の主著者であり、ミネソタ大学の化学工学および材料科学のレイ・D・ジョンソンおよびメアリー・T・ジョンソン教授のアンドレ・ムコヤン氏は述べた。 「問題は、どのようにしてエネルギー消費を最小限に抑えるかということです。この研究はその方向への一歩です。私たちは、同様の、またはそれ以上の特性を持ちながら、エネルギー消費がより低い新しい種類の材料を開発しています。」
研究者らはこのような高品質の材料を作成したため、その特性とそのユニークな点を注意深く分析することもできました。
「物理学の観点から見ると、この研究の主な貢献の 1 つは、この材料の最も基本的な特性のいくつかを研究できたことです」と、論文の主著者でミネソタ大学電気・コンピュータ工学科のポール・パームバーグ准教授のトニー・ロウ氏は述べた。 「通常、磁場を印加すると材料の長手方向の抵抗が増加しますが、この特定のトポロジカル材料では、長手方向の抵抗が減少すると予測しました。測定された輸送データで理論を裏付け、負性抵抗が実際に存在することを確認することができました。」
Low、Mkhoyan、Wang は 10 年以上にわたり、次世代電子デバイスおよびシステム用のトポロジカル材料に関して共同研究を行っています。この研究は、理論と計算、材料の成長と特性評価、デバイス製造におけるそれぞれの専門知識を組み合わせなければ不可能でした。 「このような重要かつ挑戦的なテーマの研究には、刺激的なビジョンだけでなく、多大な忍耐力と、4つの分野にわたる献身的なチームメンバーのグループが必要です。これにより、このテクノロジーを研究室から産業に移行することが可能になります」とワン氏は述べた。