Nowe rozwiązania w elektronice

Projekt 2Dtronics obejmuje badania tych fundamentalnych aspektów fizyki fazy skondensowanej i magnetyzmu, które dotyczą interdyscyplinarnych badań w obszarze spinowej elektroniki (spintroniki), w szczególności nano-spintroniki i spintroniki dwuwymiarowej. W zasadzie, projekt skoncentrowany jest głównie na efektywnej kontroli stanu spinowego i jego wykorzystaniu na równi z ładunkiem elektrycznym nośników (elektronów). Obecnie, głównym celem elektroniki spinowej jest opracowanie techniki efektywnej kontroli stanu spinowego metodami w pełni elektrycznymi. Dodatkowo, kontrola ta powinna być związana z bardzo niskim poziomem zużycia energii. Dlatego, jednym z celów projektu jest teoretyczna weryfikacja różnych możliwości sprzężenia spinowego stopnia swobody z innymi stopniami swobody (czułymi na pole elektryczne), takimi jak na przykład dolinowy lub orbitalny stopnień swobody. Innym celem są badania topologicznych własności materii i możliwości ich wykorzystania do konstrukcji elektronicznych elementów o bardzo małej dyssypacji energii.

Nowe rozwiązania dla elektroniki są dzisiaj niezwykle ważną kwestią, ponieważ oczekuje się, że w roku 2025 globalne zużycie energii przez urządzenia IT osiągnie poziom 4.6 tryliona kWh, co odpowiada 15% globalnej produkcji energii. Co więcej, obecnie każdego dnia powstaje około 2.5 kwintyliona bitów danych. Te niepokojące liczby jednoznacznie wskazują na pilną potrzebę poszukiwania nowych rozwiązań, które zaowocowałyby konstrukcją nowych elementów elektronicznych o bardzo szybkim działaniu przy jednocześnie niskim poziomie pobieranej mocy, jak również konstrukcją elementów do przechowywania i przetwarzania informacji o dużej gęstości zapisu.

Dlatego główny nacisk w projekcie położony został na nowe materiały, w których kwantowe efekty manifestują się w szerokim zakresie energii i na dużych odległościach. Materiały kwantowe, takie jak grafen, heterostruktury van-der-Waalsa, topologiczne izolatory, czy półmetale Wayla, wykazują specyficzne własności, które wynikają z ich zredukowanej wymiarowości i z własności kolektywnych wzbudzeń. W konsekwencji, kwantowe materiały służą jako platforma dla zjawisk gdzie topologiczna natura stanów kwazicząstkowych odgrywa bardzo istotna rolę.

fot. Michał Łepecki
Jednym z celów projektu jest powiązanie spinowego i dolinowego stopnia swobody z symetrią układu i jego topologicznymi własnościami w celu opisania i zaproponowania zjawisk, które pozwolą wypracować nową strategię dla nowej generacji elementów elektronicznych i logicznych, o niskiej konsumpcji energii. Nowe, dwuwymiarowe materiały odkryte w minionej dekadzie, są fascynujące ze względu na wiele ich egzotycznych własności, takich jak na przykład niekonwencjonalne nadprzewodnictwo, nieliniowe efekty Halla, czy kondensacja Bosego-Einsteina chiralnych magnonów. Ważną własnością dwuwymiarowych materiałów kwantowych jest to oddziaływania związane z ładunkiem, spinem, siecią, oraz orbitalnym stopniem swobody są energetycznie porównywalne z energią kinetyczną. Dlatego, własności materiałów kwantowych są czułe na zewnętrzne siły i pola, które stosunkowo łatwo mogą doprowadzić do kwantowego przejścia fazowego. W ramach projektu, kwantowe materiały badane są teoretycznie pod kątem kilku ważnych i aktualnych pytań, jak na przykład: (i) jak zmodyfikować własności topologiczne dwu-wymiarowych układów zewnętrznymi polami, (ii) jak wykorzystać nowe zjawiska obserwowane w kwantowych materiałach dwuwymiarowych i na interfejsach w elementach spintronicznych nowej generacji, (iii) jak opisać i wyjaśnić niedawno obserwowane efekty nieliniowe w kwantowych materiałach (nieliniowa odpowiedź układu, nieliniowe oddziaływania), (iv) jak osiągnąć nisko-dysypatywny i daleko-zasięgowy transport spinu w nowych magnetycznych materiałach dwuwymiarowych, (v) jak ważne są oddziaływania wielo-ciałowe w dwuwymiarowych kwantowych materiałach.

W ramach projektu opracowano i opisano nowe sposoby manipulacji parametrem porządku charakteryzującym kwantowe materiały oraz efektywnego projektowania własności elektronowych, magnetycznych i topologicznych własności kwantowych dwuwymiarowych materiałów. W szczególności skupiamy się na efektywnych metodach modyfikacji topologicznych własności przy pomocy zewnętrznych pół i sił.

Więcej informacji na stronie projektu.