Forscher der North Carolina State University haben eine neue besondere Form von Silizium namens Q-Silizium entdeckt, das neben anderen interessanten Eigenschaften bei Raumtemperatur ferromagnetisch ist. Die Erkenntnisse könnten zu Fortschritten im Quantencomputing führen, einschließlich der Entwicklung eines Spin-Qubit-Quantencomputers, der auf der Steuerung des Spins eines Elektrons basiert.
„Die Entdeckung von Q-Silizium mit robustem Ferromagnetismus bei Raumtemperatur wird eine neue Grenze für Spin-basierte Geräte im atomaren Maßstab und die funktionale Integration mit der Nanoelektronik eröffnen“, sagte Jay Narayan, Inhaber des John C. Fan Family Distinguished Chair in Materials Science und korrespondierender Professor Autor eines Artikels, der die in veröffentlichten Arbeiten beschreibt Briefe zur Materialforschung.
Ferromagnetismus in Materialien außerhalb von Übergangsmetallen und Seltenen Erden begeistert Wissenschaftler weltweit seit langem. Denn mit spinpolarisierten Elektronen lassen sich Informationen mit atomarer Auflösung verarbeiten und speichern. Allerdings wurden Materialien mit gerader Elektronenzahl wie Kohlenstoff und Silizium ohne ungepaarte Spins im Hinblick auf den Massenferromagnetismus nicht ernsthaft berücksichtigt. Die freien Bindungen in Massenmaterialien aus Kohlenstoff und Silizium rekonstruieren und eliminieren normalerweise Quellen ungepaarter Elektronen.
Die Forscher des NC State zeigten, dass Laserschmelzen und Abschrecken von Silizium zur Bildung von Q-Silizium führen kann. Der gesamte Vorgang ist in weniger als einem Bruchteil einer Mikrosekunde oder einer Millionstelsekunde abgeschlossen. Narayan leistete in mehr als vier Jahrzehnten Arbeit Pionierarbeit bei der Verwendung von Lasern zur Herstellung neuer Materialien mit neuartigen Eigenschaften.
Zu den weiteren interessanten Eigenschaften von Q-Silizium gehören neben dem Ferromagnetismus auch eine erhöhte Härte und Supraleitung, sagt Narayan.
„Diese Entdeckung von Q-Silizium wird die moderne Mikroelektronik revolutionieren, indem sie neue Funktionalitäten wie Spintronik oder spinbasiertes Quantencomputing hinzufügt“, sagte Narayan. „Moderne Mikroelektronik basiert auf der Ladung eines Elektrons, was sie relativ langsam und mit begrenzter Mobilität macht. Durch die Verwendung von Q-Silizium machen wir uns den Spin des Elektrons zunutze, wodurch Computer bei vernachlässigbarem Stromverbrauch viel schneller werden.“
„Kurz gesagt bietet Q-Silizium eine ideale Plattform für die Integration von Spintronik und Mikroelektronik auf einem Chip“, sagte Narayan.
Mehr Informationen:
Jagdish Narayan et al, Synthese und neuartige Eigenschaften von Q-Silizium (Januar 2023), Briefe zur Materialforschung (2023). DOI: 10.1080/21663831.2023.2224396