Tänk dig att du kunde tälja fram elektroniska komponenter ur ett enda stycke kristall, ungefär som en konstnär skulpterar i marmor, fast på nanonivå. Det är precis vad forskare vid RIKEN Center for Emergent Matter Science och deras internationella samarbetspartners nu har lyckats med. Genom att använda fokuserade jonstrålar har de öppnat dörren för en helt ny typ av formgiven elektronik.
Elektronikens värld handlar ofta om att stapla lager på lager av material, men den här gången handlar det om subtraktion snarare än addition. Forskargruppen har demonstrerat en metod för att omvandla enstaka kristaller till tredimensionella enheter i nanoskala, en bedrift som kan komma att förändra hur vi ser på energieffektivitet inom logik och minneshantering.
Konsten att skulptera i nanoskala
Processen som forskarna använt sig av kallas för “focused ion beam sculpting”. Genom att rikta en extremt precisionsstyrd stråle av joner mot materialet har de kunnat karva ut intrikata former. Materialet i fokus är det topologiska magnetiska ämnet Co₃Sn₂S₂ – en förening bestående av kobolt, tenn och svavel.
Resultatet av detta precisionsarbete är spiralformade strukturer, eller helixar, som inte bara är estetiskt tilltalande under ett mikroskop utan som också besitter unika elektroniska egenskaper. Genom att forma materialet på detta sätt har teamet lyckats skapa reversibla dioder.
Geometrin styr elektronerna
Det som gör dessa spiralformade dioder så speciella är hur de hanterar elektricitet. De uppvisar vad som kallas för icke-reciprok elektrisk transport. Enkelt förklarat betyder det att strömmen inte flödar likadant i båda riktningarna, vilket är grundfunktionen i en diod.
Men här är det inte bara materialet i sig som skapar effekten, utan själva formen. Diod-effekten uppstår som ett resultat av den “kirala” geometrin på nanonivå. De krökta ytorna i spiralen orsakar en asymmetrisk spridning av elektroner. Det är alltså den fysiska arkitekturen som tvingar elektronerna att bete sig på ett specifikt sätt.
Full kontroll över flödet
En av de mest fascinerande aspekterna av denna upptäckt är kontrollerbarheten. Forskarna har visat att riktningen på det elektriska flödet kan vändas helt. Detta kan göras på två sätt: antingen genom att ändra magnetiseringen i materialet eller genom att ändra spiralens “hänthet” (åt vilket håll spiralen vrider sig).
Dessutom har teamet upptäckt att starka elektriska pulser kan användas för att vända strukturens magnetisering. Detta innebär att man kan manipulera enhetens egenskaper med enbart elektricitet, vilket är en nyckelkomponent för snabb och effektiv elektronik.
En ny väg för energieffektiv teknik
Denna metod att “formge” elektronik öppnar upp för spännande möjligheter. Genom att utnyttja geometrin för att styra elektronernas beteende ser forskarna en framtid för applikationer inom flera kritiska områden.
Tekniken erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att skapa energieffektiv logik, minneskretsar och sensorer. Genom att kombinera materialvetenskap med avancerad nanoskulptur har RIKEN och deras partners tagit ett viktigt steg mot nästa generations hårdvara.