Представьте, сколько вы могли бы достичь, если бы цепи вашего ноутбука и мобильного телефона работали в 10 раз быстрее, а ваша батарея работала в 10 раз дольше, чем сейчас.
Чтобы понять технологию завтрашнего дня и сегодняшнего дня, нужно вернуться к уравнениям, разработанным физиками в 1930-х годах. Одним из таких физиков был Герман Вейль, который в 1937 году теоретизировал существование фермионов Вейля, безмассовых частиц, которые могли переносить электрический заряд на высоких скоростях. Никто никогда не наблюдал эти частицы в изоляции, но фермионы Вейля были обнаружены в специальном классе материалов, называемых полуметаллами Вейля. В 2015 году исследовательская группа из Принстона установила, что арсенид тантала является полуметаллом Вейля, и с тех пор команды со всего мира изучают другие материалы, чтобы выяснить, обладают ли они свойствами, предсказанными Вейлем.
Теперь команда инженеров- электриков из Университета штата Делавэр обнаружила, что новые полуметаллические материалы, сплавы германия и олова, имеют свойства, подобные полуметаллам Вейля. Это не наблюдалось ранее ни одной другой исследовательской группой.
Команду возглавляет Джеймс Колодзи, профессор электротехники и вычислительной техники имени Чарльза Блэка, который изучает протекание электрического тока через материалы.
«Исторически инженеры-электрики пытались классифицировать материалы с электронной и оптической точек зрения», — сказал Колодзей. Например, металлы, такие как медь и алюминий, хорошо проводят электричество благодаря движению электронов, субатомных частиц, несущих электрический заряд. «В металлах электроны немного ослаблены и легко текут», — сказал Колодзей. Вот почему медь используется в электропроводке для подачи электричества в здания.
Полуметаллы проводят электричество, но не так эффективно, как металлы. Однако ток может проходить быстрее через полуметаллы, чем через полупроводники — такие материалы, как кремний, которые обычно используются в компьютерных чипах, сотовых телефонах и другой вездесущей бытовой электронике.
«Электроны в полуметалле Вейля очень быстрые, в 10 раз быстрее, чем в обычном полупроводнике, поэтому мы ожидаем, что возможные схемы Вейля будут иметь гораздо более высокие скорости», — сказал он.
Группа Колодзея показала, что материалы, которые они изучают, теллурид молибдена и сплавы германия и олова, действуют подобно полуметаллам Вейля. Например, они очень чувствительны к свету, который вибрирует по кругу, свойство полуметалла Вейля, которое может быть особенно полезным в оптических и электронных приложениях, от дистанционного зондирования до медицины и многого другого.
«В Университете штата Делавэр мы пытаемся использовать электротехнику, чтобы сделать вещи из этих материалов», — сказал Колодзей. «Нам нужны практические применения и устройства, от транзисторов до диодов и компонентов интегральных схем. Вместо использования полупроводников мы хотим изготавливать их с полуметаллами Вейля. В отличие от всех известных полуметаллов Вейля, сплавы германий-олово совместимы с процессами изготовления кремниевых цепей. «.
Эти устройства теоретически могут работать на высоких скоростях, но с низкими требованиями к мощности. Даже при интенсивном использовании ноутбуки и мобильные телефоны не будут перегреваться, а батареи будут работать намного дольше, чем сейчас.
В материалах подследственных по команде Kolodzey также могут быть использованы для оптимизации солнечных батарей, которые преобразуют энергию света в электрическую энергию, а также сделать детекторы инфракрасного света, для тепловидения.
Теги: батарея
