Forscher haben einen Weg gefunden, die elektronischen Eigenschaften eines Quantenmaterials stabil und reversibel zu steuern. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für eine neue Generation von elektronischen Geräten, die schneller, kompakter und effizienter sind. Es geht hier um eine Verbesserung um den Faktor 1000. Nicht weniger.
Das Team der Northeastern University verwendete eine Methode namens thermisches Abschrecken, bei der präzises Erhitzen und Abkühlen kombiniert werden. Diese Technik ermöglicht es, ein Material je nach Bedarf zwischen einem leitenden (metallischen) und einem isolierenden Zustand umzuschalten.
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Das untersuchte Material, 1T-TaS₂, ist eine bekannte Quantenverbindung, die für ihr elektronisches Verhalten bekannt ist. Durch Belichtung bei Raumtemperatur induzierten die Forscher einen verborgenen metallischen Zustand, der über mehrere Monate stabil blieb. Ein beispielloses Ergebnis in diesem Bereich.
Laut Gregory Fiete, Professor für Physik, könnte dieser Durchbruch Schnittstellen zwischen verschiedenen Materialien überflüssig machen. Ein einziges Material, dessen Zustand durch Licht oder Temperatur moduliert wird, könnte ausreichen. Eine solche Vereinfachung könnte das Design elektronischer Komponenten erheblich vereinfachen.
Bisher scheiterten ähnliche Versuche an großen Hindernissen: instabile Zustände, die Notwendigkeit sehr niedriger Temperaturen oder zu kurze Lebensdauern. Die vorgeschlagene Methode überwindet diese Grenzen.
Die in
Nature Physics veröffentlichte Forschung eröffnet ein neues Feld für die Materialtechnik und Mikroelektronik, zu einer Zeit, in der die Grenzen von Silizium immer einschränkender werden.
Wie funktioniert thermisches Abschrecken?
Thermisches Abschrecken besteht darin, ein Material zu erhitzen und dann schnell abzukühlen. Dieser Prozess verändert seine innere elektronische Struktur und ermöglicht es, einen gewünschten Zustand, metallisch oder isolierend, zu erreichen.
Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der präzisen Kontrolle von Temperatur und Expositionszeit. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen erfordert diese Technik keine extremen Bedingungen wie kryogene Temperaturen.
Sie ist auch reversibel: Das Material kann in seinen Ausgangszustand zurückkehren, ohne Schaden zu nehmen. Es ist diese Stabilität, die die Technik für konkrete Anwendungen in der Elektronik so vielversprechend macht.
Was ist ein Quantenmaterial?
Ein Quantenmaterial ist ein Material, dessen elektronische Eigenschaften nicht durch die klassische Physik erklärt werden können. Es zeigt oft kollektive Effekte wie Supraleitung, den quantisierten Hall-Effekt oder Zustandsänderungen, die durch schwache Stimuli ausgelöst werden.
1T-TaS₂ gehört zu dieser Kategorie. Es reagiert empfindlich auf Licht, Druck und Temperatur, was es ideal für die Erforschung kontrollierter elektronischer Übergänge macht.
Diese Materialien stehen im Mittelpunkt der Forschung für die Elektronik von morgen, Quantencomputer und sogar einige fortschrittliche Speichergeräte. Die Arbeit der Northeastern University markiert einen entscheidenden Schritt hin zu ihrer Integration in konkrete und zugängliche Technologien.
Quelle: Nature Physics