Η ανακάλυψη που μπορεί να κάνει τα ηλεκτρονικά 1.000 φορές ταχύτερα

Μία επαναστατική ανακάλυψη έκαναν ερευνητές του Πανεπιστημίου Northeastern, οι οποίοι βρήκαν πώς να αλλάζουν την ηλεκτρονική κατάσταση της ύλης κατά παραγγελία, κάτι που θα μπορούσε να κάνει τα ηλεκτρονικά 1.000 φορές ταχύτερα και αποδοτικότερα.

Με τη μετάβαση από μονωτικά σε αγώγιμα και αντίστροφα, η ανακάλυψη δημιουργεί τη δυνατότητα αντικατάστασης εξαρτημάτων πυριτίου στα ηλεκτρονικά με εκθετικά μικρότερα και ταχύτερα κβαντικά υλικά.

"Οι επεξεργαστές λειτουργούν σε gigahertz αυτή τη στιγμή", δήλωσε ο Alberto de la Torre, επίκουρος καθηγητής φυσικής και κύριος συγγραφέας της έρευνας. "Η ταχύτητα της αλλαγής που θα επέτρεπε αυτό θα σας επέτρεπε να πάτε στα terahertz".

Μέσω ελεγχόμενης θέρμανσης και ψύξης, μια τεχνική που ονομάζουν "θερμική απόσβεση", οι ερευνητές είναι σε θέση να κάνουν ένα κβαντικό υλικό να αλλάζει μεταξύ μιας μεταλλικής αγώγιμης κατάστασης και μιας μονωτικής κατάστασης. Οι καταστάσεις αυτές μπορούν να αντιστραφούν άμεσα με την ίδια τεχνική.

Τα ευρήματα της έρευνας, που δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature Physics, αποτελούν μια σημαντική ανακάλυψη για τους επιστήμονες υλικών και για το μέλλον των ηλεκτρονικών: άμεσος έλεγχος του κατά πόσον ένα υλικό μεταφέρει ή μονώνει τον ηλεκτρισμό.

Το φαινόμενο είναι σαν ένα τρανζίστορ που αλλάζει ηλεκτρονικά σήματα. Και όπως ακριβώς τα τρανζίστορ επέτρεψαν στους υπολογιστές να γίνουν μικρότερο, ο έλεγχος των κβαντικών υλικών έχει τη δυνατότητα να μεταμορφώσει τα ηλεκτρονικά, λέει ο Gregory Fiete, καθηγητής φυσικής στο Northeastern που συνεργάστηκε με τον de la Torre για την ερμηνεία των ευρημάτων.

"Όλοι όσοι έχουν χρησιμοποιήσει ποτέ έναν υπολογιστή συναντούν ένα σημείο όπου θα ήθελαν κάτι να φορτώνει πιο γρήγορα", λέει ο Fiete. "Δεν υπάρχει τίποτα πιο γρήγορο από το φως, και εμείς χρησιμοποιούμε το φως για να ελέγξουμε τις ιδιότητες των υλικών ουσιαστικά με την ταχύτερη δυνατή ταχύτητα που επιτρέπει η φυσική".

Μέχρι στιγμής, οι ηλεκτρονικές συσκευές χρειάζονταν τόσο αγώγιμα, όσο και μονωτικά υλικά, καθώς και μια καλά σχεδιασμένη διεπαφή μεταξύ των δύο. Αυτή η ανακάλυψη καθιστά δυνατή τη χρήση ενός μόνο υλικού που μπορεί να ελεγχθεί με το φως για να μεταφέρει και στη συνέχεια να μονώσει.

"Εξαλείφουμε μία από τις προκλήσεις της μηχανικής βάζοντας τα όλα σε ένα υλικό", λέει ο Fiete. "Και αντικαθιστούμε τη διεπαφή με φως μέσα σε ένα ευρύτερο φάσμα θερμοκρασιών".

Η έρευνα επεκτείνεται σε προηγούμενες εργασίες που χρησιμοποίησαν υπερταχείς παλμούς λέιζερ για να αλλάξουν προσωρινά τον τρόπο με τον οποίο τα υλικά οδηγούν τον ηλεκτρισμό. Αλλά αυτές οι αλλαγές διαρκούσαν μόνο μικροσκοπικά κλάσματα του δευτερολέπτου και συνήθως σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.

Η σταθερή εναλλαγή αγωγιμότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες αποτελεί σημαντική πρόοδο για την κβαντομηχανική, λέει ο Fiete, και για το μακροπρόθεσμο παιχνίδι της συμπλήρωσης ή αντικατάστασης της τεχνολογίας που βασίζεται στο πυρίτιο.

Οι ημιαγωγοί, λέει, είναι τόσο πυκνοί με λογικά στοιχεία που οι μηχανικοί τους στοιβάζουν πλέον σε τρεις διαστάσεις. Αλλά αυτή η προσέγγιση έχει περιορισμούς, είπε, οι οποίοι καθιστούν τα μικροσκοπικά κβαντικά υλικά πιο σημαντικά για τον σχεδιασμό ηλεκτρονικών.

"Βρισκόμαστε σε ένα σημείο όπου για να πετύχουμε εκπληκτικές βελτιώσεις στην αποθήκευση πληροφοριών ή στην ταχύτητα λειτουργίας, χρειαζόμαστε ένα νέο παράδειγμα", λέει ο Fiete. "Η κβαντική πληροφορική είναι μια οδός για τον χειρισμό αυτού του ζητήματος και μια άλλη είναι η καινοτομία στα υλικά. Αυτό είναι το πραγματικό αντικείμενο αυτής της εργασίας".