Zu den Innovationen in der Festkörperphysik gehören ultradünne 2D-Materialien und mehr

Im unaufhörlichen Streben nach energieeffizienter Datenverarbeitung versprechen neue Geräte, die an der UC Santa Barbara entwickelt wurden, Verbesserungen bei der Informationsverarbeitung und Datenspeicherung.

Forscher im Labor von Kaustav Banerjee, einem Professor für Elektro- und Computertechnik, haben ein neues Papier veröffentlicht, in dem mehrere dieser Geräte beschrieben werden.Quantentechnische Geräte auf Basis von 2D-Materialien für die Informationsverarbeitung und -speicherung der nächsten Generation“, im Tagebuch Fortgeschrittene Werkstoffe. Erstautor ist der kürzlich promovierte Arnab Pal.

Jedes Gerät soll die Herausforderungen im Zusammenhang mit herkömmlichem Computing auf neue Weise angehen. Alle vier arbeiten mit sehr niedrigen Spannungen und zeichnen sich durch geringe Leckage aus, im Gegensatz zu den herkömmlichen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) in Smartphones, die auch im ausgeschalteten Zustand Strom verbrauchen. Da sie jedoch auf Verarbeitungsschritten basieren, die denen zur Herstellung von MOSFETs ähneln, könnten die neuen Geräte in großem Maßstab unter Verwendung bestehender Industriestandard-Fertigungsverfahren für Halbleiter hergestellt werden.

Das vielversprechendste der beiden Informationsverarbeitungsgeräte ist laut Banerjee der spinbasierte Feldeffekttransistor oder Spin-FET, der sich das magnetische Moment – ​​oder den Spin – der Elektronen zunutze macht, die das Gerät antreiben. Die Materialien gehören dabei zur Gruppe der Übergangsmetalldichalkogenide, die auf Übergangsmetallen basieren.

Anders als der Spin-FET arbeitet der ladungsbasierte Feldeffekttransistor oder TFET, indem er sich die quantenmechanische Natur von Elektronen zunutze macht. Als Ergebnis eines Phänomens, das als Wellenfunktionsdurchdringung bekannt ist, können die Elektronen eine dünne elektrische Barriere durchtunneln, anstatt darüber zu fließen, wie dies bei einem herkömmlichen Transistor der Fall ist. TFETs können auch bei niedrigeren Spannungen betrieben werden, verbrauchen weniger Strom und erzeugen weniger Wärme. Aus 2D-Materialien hergestellte TFETs erbringen aufgrund ihrer dünneren und besser kontrollierbaren elektronischen Tunnelbarriere eine bessere Leistung, was sowohl den Elektronenfluss verbessert als auch dem Gerät ermöglicht, mit größerer Präzision zu arbeiten.

Damit Daten sicher gespeichert werden können, muss die Festplatte eines Geräts so programmiert werden, dass die Speicherung auch im ausgeschalteten Zustand erhalten bleibt. Um dies mit einem normalen MOSFET zu tun, sagte Pal: „Sie haben die Source (Elektronen) und den Drain (wo die Elektronen gesammelt werden) und dann den Kanal zwischen ihnen, der den Fluss dieser Träger steuert. Der Kanal fungiert entweder als a Barriere, so dass die Elektronen nicht passieren können – den Aus-Zustand – oder sehr leitfähig ist, so dass sie passieren können, dh den Ein-Zustand.Um einen Fluss in einem normalen n-Typ-Bauelement zu erzeugen, ist das Anlegen einer positiven Gate-Vorspannung erforderlich – das die negativ geladenen Elektronen von der Quelle über den Kanal anzieht.

Inzwischen arbeitet der ladungsbasierte Floating-Gate-Feldeffekttransistor (FG-FET) zur Informationsspeicherung nach einem ähnlichen Prinzip wie ein MOSFET, hat aber nicht nur eine Gate-Elektrode, sondern zwei. Die zusätzliche Elektrode wird Floating Gate genannt. Wenn ein MOSFET unprogrammiert ist, gibt es keine zusätzliche Ladung auf dem schwebenden Gate. Bei jedem Programmiervorgang wird jedoch eine sehr starke Spannung an das Gate angelegt, wodurch viele Ladungsträger (Elektronen) aus dem Kanal gezogen und dort abgelagert werden, wo sie eingefangen werden. Diese akkumulierte negative Gate-Ladung macht es schwierig, die Vorrichtung einzuschalten, wodurch sie so programmiert wird, dass sie ausgeschaltet ist.

Laut den Forschern gibt es bei dieser Methode Herausforderungen. Einer von ihnen, sagte Pal, „zieht viel Ladung zum schwebenden Gate, was viel Strom erfordert“. Außerdem fügte Banerjee hinzu: „Damit diese Elektronen am Floating Gate ankommen, um das Gerät zu programmieren, müssen sie durch eine dielektrische Schicht tunneln.

Eine Reihe von ladungsbasierten und nicht ladungsbasierten Geräten, die mit 2D-Materialien gebaut sind, können Informationsverarbeitungs- und Speichertechnologien der nächsten Generation ermöglichen.

Ein weiteres Problem ist, dass, wenn viele FG-FETs nahe beieinander platziert werden – und, sagte Pal, „wir wollen so viele wie möglich auf dem Chip platzieren, um beispielsweise die Kapazität eines USB-Sticks zu erhöhen“ – die gespeicherten Ladungen auf dem Geräte interagieren miteinander und beeinflussen das benachbarte Gerät. Die Verwendung von ultradünnen 2D-Materialien minimiert diese Wechselwirkung und erhöht gleichzeitig die Kontrolle über die einzelnen Geräte, wodurch eine hohe Leistung erzielt wird, selbst wenn mehr Geräte dichter auf dem Chip konzentriert sind.

Ein weiterer Ansatz zur Informationsspeicherung ist die Verwendung von Magnettunnelkontakten (MTJs), die den Elektronenspin zum Speichern von Daten nutzen. Ein MTJ besteht aus zwei Magnetschichten, die durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind; die relative Ausrichtung der magnetischen Momente der Schichten bestimmt den Widerstand der Vorrichtung. Ähnlich wie FG-FETs stehen MTJs jedoch vor Herausforderungen in Bezug auf Stromverbrauch, Stabilität und Skalierbarkeit. Auch hier bieten ultradünne 2D-Materialien eine mögliche Lösung, indem sie Wechselwirkungen zwischen benachbarten MTJs reduzieren und so eine effiziente Datenspeicherung mit hoher Dichte ermöglichen.

Während die auf 2D-Materialien basierenden Geräte Verbesserungen in Bezug auf Energie- und Flächeneffizienz gegenüber denen aus herkömmlichen Materialien erzielen können, können außergewöhnliche Verbesserungen nur durch eine Änderung der Computerarchitektur erreicht werden. Betreten Sie die radikal neue Architektur, die als Quantencomputing bekannt ist. Basierend auf der Quantenüberlagerung von Quantenbits, Qubits genannt, generiert Quantencomputing parallele Berechnungen, um massive Leistungssteigerungen in Bezug auf Geschwindigkeit und Effizienz für ausgewählte Rechenaufgaben zu erzielen.

Die einzigartigen strukturellen und elektromagnetischen Eigenschaften von 2D-Materialien, die Effizienzgewinne für die konventionelleren ladungsbasierten Qubits ermöglichen, ermöglichen auch das effiziente Design mehrerer anderer neuerer Arten von Qubits, die als Spin-, Valley- und Spin-Valley-Qubits bezeichnet werden.

In einem Spin-Qubit wird die Eigenschaft des Zustands (ein/aus) durch den Elektronenspin oder Quantenzustand des Qubits definiert, der immer entweder Spin-up oder Spin-down ist. Der Zustand wird geändert, indem der Spin von oben nach unten oder umgekehrt umgedreht wird, um den Zustand des Qubits zu ändern und den Qubit-Betrieb zu unterstützen.

Das Valley-Qubit arbeitet etwas anders. Sein Zustand wird durch den Impuls des Elektrons und nicht durch seinen Spin bestimmt. Die Änderung des Elektronenimpulses wird in eine Änderung des Qubit-Zustands übersetzt, was dazu beiträgt, den Qubit-Betrieb zu realisieren.

Schließlich können die Eigenschaften von 2D-Materialien auch dabei helfen, den dritten Qubit-Typ, das Spin-Valley-Qubit, zu realisieren, dessen Zustände sowohl durch den Impuls als auch durch den Spin der Elektronen definiert werden. Da Spin-Valley-Qubits diese beiden Freiheitsgrade koppeln, wird angenommen, dass sie widerstandsfähiger gegen Dekohärenz sind, wodurch längere und komplexere Quantenberechnungen durchgeführt werden können, bevor die Quantenverschränkung verloren geht.

„Die aufkommenden Geräte, die durch die einzigartigen Eigenschaften von 2D-Materialien ermöglicht werden, versprechen energieeffizientes Hochleistungsrechnen und -speichern“, sagte Pal, „ermöglichen eine Beyond-Moore-Integration und regen neue Erkundungen in der Festkörperphysik und ihren Anwendungen an .“