Nhóm nghiên cứu của Đại học Minnesota-Twin Cities lần đầu tiên đã tổng hợp được một loại màng vật liệu bán kim loại tôpô độc đáo có khả năng tạo ra sức mạnh tính toán và lưu trữ bộ nhớ lớn hơn đồng thời giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu vật liệu này một cách cẩn thận và thu được những hiểu biết quan trọng về mặt vật lý đằng sau những đặc tính độc đáo của nó.
Nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Được chứng minh bằng Đạo luật Khoa học và CHIPS gần đây ở Hoa Kỳ, nhu cầu tăng cường sản xuất chất bán dẫn và hỗ trợ nghiên cứu dùng để phát triển vật liệu cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử ở khắp mọi nơi ngày càng tăng. Trong khi chất bán dẫn truyền thống là công nghệ đằng sau hầu hết các chip máy tính ngày nay, thì các nhà khoa học và kỹ sư luôn tìm kiếm những vật liệu mới có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn với ít năng lượng hơn để làm cho thiết bị điện tử tốt hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn.
Một trong những ứng cử viên cho loại chip máy tính cải tiến mới này là một loại vật liệu lượng tử được gọi là bán kết tôpô. Các electron trong các vật liệu này hoạt động theo những cách khác nhau, mang lại cho vật liệu những đặc tính độc đáo không có trong các chất cách điện thông thường và kim loại được sử dụng trong các thiết bị điện tử. Do đó, những vật liệu này đang được khám phá để sử dụng trong các thiết bị điện tử spin. Thiết bị Spintronic là một giải pháp thay thế cho các thiết bị bán dẫn truyền thống sử dụng spin của electron thay vì tích điện để lưu trữ dữ liệu và xử lý thông tin.
Trong nghiên cứu mới này, một nhóm nghiên cứu liên ngành tại Đại học Minnesota đã tổng hợp thành công loại vật liệu màng mỏng như vậy và chứng minh tiềm năng của nó về hiệu suất cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp.
Jianping Wang, tác giả cấp cao của bài báo, Giáo sư xuất sắc tại Đại học McKnight, và Chủ tịch Robert Hartmann tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Đại học Minnesota, cho biết: "Nghiên cứu này lần đầu tiên cho thấy có thể chuyển từ chất cách điện tôpô yếu sang bán kim loại tôpô bằng cách sử dụng từ tính chiến lược doping
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu vật liệu tôpô trong nhiều năm, nhưng nhóm nghiên cứu của Đại học Minnesota là nhóm đầu tiên sử dụng quy trình phún xạ tương thích với ngành đã được cấp bằng sáng chế để tạo ra bán kim loại này ở dạng màng mỏng. Wang cho biết vì quy trình của họ tương thích với công nghiệp nên công nghệ này có thể dễ dàng được áp dụng và
"Trong cuộc sống, chúng ta sử dụng các thiết bị điện tử hàng ngày, từ điện thoại di động, máy rửa bát cho đến lò vi sóng. Tất cả đều sử dụng chip. Tất cả mọi thứ cần phải được tiêu thụ. Andre Mkhoyan, tác giả chính của bài báo và Giáo sư Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Hóa học Ray D. và Mary T. Johnson tại Đại học Minnesota, cho biết: “Câu hỏi đặt ra là làm cách nào để chúng ta giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng? Nghiên cứu này là một bước đi theo hướng đó. Chúng tôi đang phát triển một loại vật liệu mới có đặc tính tương tự hoặc thậm chí tốt hơn nhưng tiêu thụ năng lượng thấp hơn."
Vì các nhà nghiên cứu đã tạo ra loại vật liệu chất lượng cao như vậy nên họ cũng có thể phân tích cẩn thận các đặc tính của nó và điều gì khiến nó trở nên độc đáo.
Tony Low, tác giả cấp cao của bài báo và Phó Giáo sư Paul Palmberg tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Đại học Minnesota, cho biết: “Từ góc độ vật lý, một trong những đóng góp chính của công trình này là chúng tôi có thể nghiên cứu một số tính chất cơ bản nhất của vật liệu này”. "Thông thường, khi bạn tác dụng một từ trường, điện trở dọc của vật liệu tăng lên, nhưng trong vật liệu tôpô đặc biệt này, chúng tôi dự đoán rằng điện trở dọc sẽ giảm. Chúng tôi có thể chứng thực lý thuyết của mình bằng dữ liệu vận chuyển đo được và xác nhận rằng điện trở âm thực sự tồn tại."
Trong hơn một thập kỷ, Low, Mkhoyan và Wang đã cộng tác về các vật liệu tôpô cho các hệ thống và thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo—nghiên cứu sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự kết hợp chuyên môn tương ứng của họ về lý thuyết và tính toán, phát triển và mô tả đặc tính của vật liệu cũng như chế tạo thiết bị. Wang cho biết: “Nghiên cứu một chủ đề quan trọng và đầy thách thức như vậy không chỉ đòi hỏi tầm nhìn đầy cảm hứng mà còn cần sự kiên nhẫn tuyệt vời và một nhóm thành viên tận tâm trong bốn lĩnh vực, điều này sẽ giúp chuyển đổi công nghệ này từ phòng thí nghiệm sang công nghiệp”.