Ein neuer Weg zur verlustfreien Elektronik

Ein neuer Weg zur verlustfreien Elektronik
Anonim

von RIKEN

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Ein Forscherteam von RIKEN und der Universität Tokio hat ein neues Material vorgestellt, das den Verlust der elektrischen Energieübertragung verhindern soll. Die Überraschung ist, dass ihre Methode zur Lösung dieses klassischen Energieproblems auf der ersten Realisierung eines hochexotischen Typs magnetischer Halbleiter basiert, der vor weniger als einem Jahrzehnt theoretisiert wurde - eines magnetischen topologischen Isolators.

Die Entwicklung energiesparender Technologien ist eines der zentralen Anliegen der modernen Wissenschaft. Von der Förderung alternativer Energieressourcen wie Wind- und Solarenergie bis hin zur Verbesserung der Infrastruktur des Stromnetzes gibt es für Wissenschaftler und Ingenieure eine Vielzahl von Möglichkeiten. In den letzten Jahren lag ein Schwerpunkt auf der Beseitigung von Energieverlusten bei der Energieübertragung selbst, die nach Schätzungen mehr als 10% der gesamten erzeugten Energie verbrauchen. Das Forscherteam hat ein neues Material demonstriert - einen magnetischen topologischen Isolator - der diesen Verlust beseitigen kann.

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Die Arbeit der RIKEN / UT-Kollaboration ist eng verwandt mit einer wegweisenden Entdeckung aus den 1980er Jahren, dem sogenannten Quanten-Hall-Effekt. Es ist bekannt, dass dieser Effekt ableitungsfreie Elektrizitätskanäle erzeugt, aber es sind große, schwerfällige Magnete erforderlich, um Felder zu erzeugen, die 100.000 größer sind als das Erdmagnetfeld, damit sie funktionieren. Die RIKEN / UT-Kollaboration umging diese Schwierigkeit, indem sie einen exotischen Halbleitertyp verwendete, von dem vorhergesagt wurde, dass er einen ähnlichen Effekt aufweist. Im Gegensatz zum Quanten-Hall-Effekt beruht dieser Effekt, der als quantenanomaler Hall-Effekt bezeichnet wird, eher auf der eigenen als auf einer externen Magnetisierung des Halbleiters. Das Herzstück dieses neuen Phänomens ist die Wechselwirkung zwischen magnetischen Ionen und den stromführenden Partikeln des topologischen Isolators (Dirac-Fermionen). Letztere sind einzigartig, weil sie sich so verhalten, als hätten sie keine Masse.

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Die vom RIKEN / UT-Team hergestellten Geräte sind ein robuster "Beweis des Prinzips", der zeigt, dass diese neue Art des ableitungslosen Transports in Prototyptransistoren genutzt werden kann. Obwohl derzeit kryogene Bedingungen erforderlich sind, verspricht eine Verbesserung des Materialdesigns, die Stabilität der Magnete zu verbessern und einen Betrieb bei höheren Temperaturen zu ermöglichen. Durch den Wegfall externer Reize wie Magnetfelder und zukünftig der Tieftemperaturkühlung könnten diese neuen magnetisch-topologischen Isolatoren den effizientesten Weg zur Modernisierung des Stromnetzes darstellen, indem Verluste bei der Energieübertragung vermieden werden.