Изобретена самая тонкая технология в мире – толщиной всего два атома

Исследование было проведено учеными из школы физики и астрономии Раймонда и Беверли Саклер и школы химии Раймонда и Беверли Саклер. В состав группы входят Мааян Визнер Штерн, Ювал Вашиц, доктор Вэй Цао, доктор Ифтах Нево, профессор Эран Села, профессор Майкл Урбах, профессор Одед Ход и доктор Моше Бен Шалом. Работа опубликована в Наука журнал.

«Наше исследование основано на любопытстве по поводу поведения атомов и электронов в твердых материалах, которое привело к появлению многих технологий, поддерживающих наш современный образ жизни», – говорит д-р Бен Шалом. «Мы (и многие другие ученые) пытаемся понять, предсказать и даже контролировать удивительные свойства этих частиц, когда они конденсируются в упорядоченную структуру, которую мы называем кристаллом.

В основе компьютера, например, лежит крошечное кристаллическое устройство, предназначенное для переключения между двумя состояниями, указывающими на разные ответы – «да» или «нет», «вверх» или «вниз» и т. Д. Без этой дихотомии это невозможно. кодировать и обрабатывать информацию. Практическая задача состоит в том, чтобы найти механизм, который позволил бы переключиться на небольшое, быстрое и недорогое устройство.

Современные устройства состоят из крошечных кристаллов, содержащих всего около миллиона атомов (около сотни атомов в высоту, ширину и толщину), так что миллион таких устройств можно примерно миллион раз втиснуть в область. одной монеты, при этом каждое устройство переключается со скоростью около миллиона раз в секунду.

После технологического прорыва исследователям впервые удалось уменьшить толщину кристаллических устройств до двух атомов. Доктор Бен Шалом подчеркивает, что такая тонкая структура позволяет воспоминаниям, основанным на квантовой способности электронов быстро и эффективно преодолевать барьеры толщиной всего в несколько атомов. Таким образом, это может значительно улучшить электронные устройства с точки зрения скорости, плотности и энергопотребления.

В исследовании ученые использовали двумерный материал: слои бора и азота толщиной в один атом, расположенные в повторяющейся гексагональной структуре. В своем эксперименте им удалось нарушить симметрию этого кристалла, искусственно соединив два таких слоя.

«В своем естественном трехмерном состоянии этот материал состоит из большого количества слоев, расположенных друг над другом, причем каждый слой повернут на 180 градусов относительно своих соседей (антипараллельная конфигурация)», – говорит д-р Бен Шалом. «В лаборатории мы смогли искусственно сложить слои в параллельную конфигурацию без вращения, что гипотетически помещает атомы одного типа в идеальное перекрытие, несмотря на сильную силу отталкивания между ними (возникающую из-за их одинаковых зарядов).

На самом деле, однако, кристалл предпочитает слегка сдвигать один слой по отношению к другому, так что только половина атомов каждого слоя полностью перекрывается, а те, которые перекрываются, имеют противоположные заряды, в то время как все остальные расположены над или внизу пустое место – центр шестиугольника. В этой конфигурации искусственного наложения слои существенно отличаются друг от друга. Например, если в верхнем слое перекрываются только атомы бора, в нижнем – наоборот ».

Доктор Бен Шалом также подчеркивает работу теоретической группы, которая провела множество компьютерных симуляций: «Вместе мы установили глубокое понимание того, почему электроны системы располагаются так, как мы измеряли в лаборатории. Благодаря такому фундаментальному пониманию мы ожидаем удивительных откликов и от других слоистых систем с нарушенной симметрией », – говорит он.

Мааян Визнер Стерн, аспирант, руководивший исследованием, объясняет: «Нарушение симметрии, которое мы создали в лаборатории, которого нет в природном кристалле, заставляет электрический заряд реорганизоваться между слоями и генерировать крошечную внутреннюю электрическую поляризацию. перпендикулярно плоскости слоя. Когда мы прикладываем внешнее электрическое поле в противоположном направлении, система скользит вбок, чтобы переключить ориентацию поляризации. Переключаемая поляризация остается стабильной даже при отключении внешнего поля. В этом система похожа на толстые трехмерные сегнетоэлектрические системы, которые сегодня широко используются в технике ».

«Способность форсировать кристаллическую и электронную структуру в такой тонкой системе с уникальными поляризационными и инверсионными свойствами, возникающими из-за слабых сил Ван-дер-Ваальса между слоями, не ограничивается кристаллом бора и азота», – добавляет доктор Бен Шалом. . «Мы ожидаем такого же поведения во многих слоистых кристаллах с правильными свойствами симметрии. Концепция межслойного скольжения как оригинального и эффективного способа управления современными электронными устройствами очень многообещающая, и мы назвали ее Slide-Tronics ».

Мааян Визнер Стерн заключает: «Мы взволнованы открытием того, что может происходить в других состояниях, которые мы навязываем природе, и предсказываем, что возможны другие структуры, которые сочетают дополнительные степени свободы. Мы надеемся, что миниатюризация и перемещение через скольжение улучшат современные электронные устройства и, более того, позволят использовать другие оригинальные способы управления информацией в будущих устройствах.

Мы ожидаем, что эта технология будет способствовать не только компьютерным устройствам, но и детекторам, накоплению и преобразованию энергии, взаимодействию со светом и т. Д. Наша задача, с нашей точки зрения, состоит в том, чтобы открывать больше кристаллов с новыми и скользкими степенями свободы ».