新材料可能是减少计算机和电子产品能耗的关键
明尼苏达大学双城分校的团队首次合成了一种独特的拓扑半金属材料薄膜，该材料有潜力产生更多的计算能力和内存存储，同时使用更少的能源。研究人员还能够仔细研究这种材料，从而得出一些关于其独特性质背后的物理原理的重要发现。
该研究发表在《自然通讯》上，这是一份涵盖自然科学和工程学的同行评审科学期刊。
最近的《芯片和科学法案》证明，越来越需要增加半导体制造并支持开发为各地电子设备供电的材料的研究。虽然传统半导体是当今大多数计算机芯片背后的技术，但科学家和工程师一直在寻找能够以更少的能源产生更多电力的新材料，以使电子产品更好、更小、更高效。
这些新型和改进的计算机芯片的候选者之一是一类称为拓扑半金属的量子材料。这些材料中的电子以不同的方式表现，赋予材料独特的特性，这是电子设备中使用的典型绝缘体和金属所不具备的。因此，人们正在探索将它们用于自旋电子器件，这是传统半导体器件的替代品，利用电子自旋而不是电荷来存储数据和处理信息。
在这项新研究中，明尼苏达大学研究人员组成的跨学科团队成功合成了这种薄膜材料，并证明它具有高性能和低能耗的潜力。
“这项研究首次表明，可以使用磁性掺杂策略从弱拓扑绝缘体转变为拓扑半金属，”该论文的资深作者、麦克奈特大学杰出教授、罗伯特·F·肯尼迪大学教授王建平说。 Hartmann 明尼苏达大学电气与计算机工程系主席。“我们正在寻找方法来延长电气设备的使用寿命，同时降低能耗，并且我们正在尝试以非传统的、开箱即用的方式做到这一点。”
研究人员多年来一直致力于拓扑材料的研究，但明尼苏达大学团队是第一个使用专利的、行业兼容的溅射工艺以薄膜形式制造这种半金属的团队。王说，因为他们的工艺与行业兼容，所以该技术可以更容易地采用和用于制造现实世界的设备。
“在我们的生活中，我们每天都使用电子设备，从手机到洗碗机再到微波炉。他们都使用芯片。一切都会消耗能量，”该论文的资深作者、明尼苏达大学化学工程和材料科学系的 Ray D. 和 Mary T. Johnson 主席兼教授 Andre Mkhoyan 说道。“问题是，我们如何最大限度地减少能源消耗?这项研究是朝这个方向迈出的一步。我们正在开发一种具有相似或更好性能的新型材料，但使用的能源要少得多。”
由于研究人员制造了如此高质量的材料，他们还能够仔细分析其特性以及其如此独特的原因。
“从物理学的角度来看，这项工作的主要贡献之一是我们能够研究这种材料的一些最基本的特性，”该论文的资深作者、大学保罗·帕尔姆伯格副教授托尼·洛(Tony Low)说。明尼苏达州电气与计算机工程系。“通常情况下，当施加磁场时，材料的纵向电阻会增加，但在这种特殊的拓扑材料中，我们预测它会减少。我们能够根据测量的传输数据证实我们的理论，并确认确实存在负阻力。”
Low、Mkhoyan 和 Wang 十多年来一直致力于下一代电子器件和系统的拓扑材料研究——如果没有结合他们各自在理论和计算、材料生长和表征以及器件制造。
王说：“这不仅需要鼓舞人心的愿景，还需要跨越四个学科的巨大耐心，以及一群敬业的团队成员来研究这样一个重要但具有挑战性的主题，这将有可能使该技术从实验室过渡到工业界。” 。
除了Low、Mkhoyan和Wang之外，研究团队还包括明尼苏达大学电气与计算机工程系研究员Delin Zhang、Wei Jiang、Onri Benally、Zach Cresswell、Yihong Fan、Yang Lv和Przemyslaw Swatek;化学工程与材料科学系云焕辉研究员;物理与天文学系研究员托马斯·彼得森;以及明尼苏达大学表征设施研究人员 Guichuan Yu 和 Javier Barriocanal。
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