Diese neue Technologie erlaubt es künftig, Informationen und Daten in der kleinsten physikalisch zugänglichen Einheit abzuspeichern, dem Atom. Dies erlaubt quantenmechanische Tunneln von Elektronen durch den atomar dünnen Film, womit Prozesse des Informationsauslesens weit über aktuelle Technologien hinaus gesteigert werden können.
In der Pressemitteilung der Tel Aviv University (TAU) heißt es auszugsweise weiter: “Die Forschung wurde von Wissenschaftlern der Raymond und Beverly Sackler School of Physics and Astronomy und der Raymond und Beverly Sackler School of Chemistry durchgeführt. Zur Gruppe gehören Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, Dr. Wei Cao, Dr. Iftach Nevo, Prof. Eran Sela, Prof. Michael Urbakh, Prof. Oded Hod und Dr. Moshe Ben Shalom. Die Arbeit ist jetzt in der Zeitschrift Science veröffentlicht. (…)
Derzeitige Geräte nach dem Stand der Technik bestehen aus winzigen Kristallen, die nur etwa eine Million Atome enthalten (etwa hundert Atome in Höhe, Breite und Dicke), so dass eine Million dieser Geräte etwa eine Million Mal in die Fläche einer Münze gequetscht werden kann, wobei jedes Gerät mit einer Geschwindigkeit von etwa einer Million Mal pro Sekunde schaltet.
Nach dem technologischen Durchbruch gelang es den Forschern erstmals, die Dicke der kristallinen Bauelemente auf nur zwei Atome zu reduzieren. Dr. Ben Shalom betont, dass eine solch dünne Struktur Speicher ermöglicht, die auf der Quantenfähigkeit von Elektronen basieren, schnell und effizient durch Barrieren zu springen, die nur einige Atome stark sind. Damit könnte sie elektronische Geräte in Bezug auf Geschwindigkeit, Dichte und Energieverbrauch deutlich verbessern.
Für die Studie verwendeten die Forscher ein zweidimensionales Material: ein Atom dicke Schichten aus Bor und Stickstoff, die in einer sich wiederholenden hexagonalen Struktur angeordnet sind. In ihrem Experiment gelang es ihnen, die Symmetrie dieses Kristalls zu brechen, indem sie zwei solcher Schichten künstlich zusammenfügten. “In seinem natürlichen dreidimensionalen Zustand besteht dieses Material aus einer großen Anzahl von übereinander liegenden Schichten, wobei jede Schicht um 180 Grad relativ zu ihren Nachbarn gedreht ist (antiparallele Konfiguration)”, sagt Dr. Ben Shalom. “Im Labor konnten wir die Schichten künstlich in einer parallelen Konfiguration ohne Drehung stapeln, was hypothetisch dazu führt, dass sich gleichartige Atome trotz der starken Abstoßungskraft zwischen ihnen (resultierend aus ihren identischen Ladungen) perfekt überlappen. Tatsächlich aber zieht es der Kristall vor, eine Schicht leicht gegen die andere zu verschieben, so dass sich nur die Hälfte der Atome jeder Schicht in perfekter Überlappung befinden, und die, die sich überlappen, haben entgegengesetzte Ladungen – während sich alle anderen über oder unter einem leeren Raum befinden – dem Zentrum des Sechsecks. In dieser künstlichen Stapelkonfiguration sind die Schichten recht unterschiedlich voneinander. Wenn sich zum Beispiel in der oberen Schicht nur die Bor-Atome überlappen, ist es in der unteren Schicht genau umgekehrt.“
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Maayan Wizner Stern, der Doktorand, der die Studie leitete, erklärt: “Der Symmetriebruch, den wir im Labor erzeugt haben und der im natürlichen Kristall nicht existiert, zwingt die elektrische Ladung, sich zwischen den Schichten neu zu organisieren und eine winzige interne elektrische Polarisation senkrecht zur Schichtebene zu erzeugen. Wenn wir ein äußeres elektrisches Feld in die entgegengesetzte Richtung anlegen, gleitet das System seitlich und schaltet die Polarisationsrichtung um. Die geschaltete Polarisation bleibt stabil, auch wenn das externe Feld abgeschaltet wird. Darin ähnelt das System dicken dreidimensionalen ferroelektrischen Systemen, wie sie heute in der Technik weit verbreitet sind.”
“Die Fähigkeit, eine kristalline und elektronische Anordnung in einem so dünnen System zu erzwingen, mit einzigartigen Polarisations- und Inversionseigenschaften, die aus den schwachen Van-der-Waals-Kräften zwischen den Schichten resultieren, ist nicht auf den Bor- und Stickstoffkristall beschränkt”, fügt Dr. Ben Shalom hinzu. ” (…)”
English Version
In the future, this new technology will make it possible to store information and data in the smallest physically accessible unit, the atom. This allows quantum-mechanical tunnelling of electrons through the atomically thin film, with which processes of information reading can be increased far beyond current technologies.
The Tel Aviv University (TAU) press release continues, “The research was conducted by scientists from the Raymond and Beverly Sackler School of Physics and Astronomy and the Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry. The group includes Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, Dr Wei Cao, Dr Iftach Nevo, Prof Eran Sela, Prof Michael Urbakh, Prof Oded Hod and Dr Moshe Ben Shalom. The work has now been published in the journal Science. (…)
Current state-of-the-art devices are made of tiny crystals that contain only about a million atoms (about a hundred atoms in height, width and thickness), so that a million of these devices can be squeezed into the space of a coin about a million times, with each device switching at a rate of about a million times per second.
Following the technological breakthrough, the researchers managed to reduce the thickness of the crystalline devices to just two atoms for the first time. Dr Ben Shalom points out that such a thin structure enables memories based on the quantum ability of electrons to jump quickly and efficiently through barriers that are only a few atoms thick. It could thus significantly improve electronic devices in terms of speed, density and energy consumption.
For the study, the researchers used a two-dimensional material: one atom thick layers of boron and nitrogen arranged in a repeating hexagonal structure. In their experiment, they managed to break the symmetry of this crystal by artificially joining two such layers together. “In its natural three-dimensional state, this material consists of a large number of superimposed layers, with each layer rotated 180 degrees relative to its neighbours (antiparallel configuration),” says Dr Ben Shalom. “In the lab, we were able to artificially stack the layers in a parallel configuration without rotation, which hypothetically causes like atoms to overlap perfectly despite the strong repulsive force between them (resulting from their identical charges). In fact, however, the crystal prefers to shift one layer slightly against the other, so that only half of the atoms in each layer are in perfect overlap, and those that overlap have opposite charges – while all the others are above or below an empty space – the centre of the hexagon. In this artificial stacking configuration, the layers are quite different from each other. For example, if only the boron atoms overlap in the top layer, it’s the opposite in the bottom layer.”
Maayan Wizner Stern, the PhD student who led the study, explains, “The symmetry breaking we created in the lab, which does not exist in the natural crystal, forces the electric charge to reorganise itself between the layers and create a tiny internal electric polarisation perpendicular to the layer plane. When we apply an external electric field in the opposite direction, the system slides sideways and switches the polarisation direction. The switched polarisation remains stable even if the external field is switched off. In this, the system resembles thick three-dimensional ferroelectric systems widely used in technology today.”
“The ability to force a crystalline and electronic arrangement in such a thin system, with unique polarisation and inversion properties resulting from weak van der Waals forces between the layers, is not limited to the boron and nitrogen crystal,” adds Dr Ben Shalom. ” (…)”