Zespół naukowców z Northeastern University i Brown University dokonał przełomu, który może zrewolucjonizować fundamenty współczesnej elektroniki. Mowa o nowej metodzie sterowania stanem kwantowego materiału 1T-TaS₂ — tantalowo-siarczkowego związku o unikalnej strukturze warstwowej — pozwalającej przełączać go z funkcji izolatora w przewodnik i z powrotem. Co najważniejsze — w stabilnych warunkach i bez potrzeby użycia ekstremalnie niskich temperatur.
Efekt? Potencjalna możliwość budowy układów elektronicznych działających nawet tysiąc razy szybciej niż obecne urządzenia oparte na krzemie.
– Procesory działają dziś w gigahercach – wyjaśnia Alberto de la Torre, fizyk materiałowy i główny autor badań. – Dzięki tej metodzie można osiągnąć taktowanie liczone w terahercach.
Jeden materiał, wiele stanów
Kluczowe dla przełomu było wykorzystanie tzw. thermal quenching — kontrolowanego cyklu ogrzewania i szybkiego chłodzenia, pozwalającego na dynamiczne przełączanie materiału 1T-TaS₂ między stanem przewodzącym (metalicznym) a izolującym. Zmiana ta następuje nie przez wymianę materiałów, lecz poprzez manipulację jego strukturą kwantową — i to w temperaturach znacznie wyższych, niż dotąd uważano za możliwe.
Dotychczas podobny efekt udawało się uzyskać jedynie na ułamek sekundy i wyłącznie w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Obecne badania pokazały, że przewodzący „ukryty” stan (ang. hidden metallic state) można ustabilizować w temperaturze ok. -63°C, a materiał utrzymuje ten stan przez całe miesiące.
– Jednym z największych wyzwań było uzyskanie pełnej kontroli nad właściwościami materiału – wyjaśnia Gregory Fiete, fizyk teoretyk z Northeastern University. – Dążymy do tego, by reakcja była natychmiastowa i przewidywalna, bo tylko takie zachowanie może znaleźć praktyczne zastosowanie w urządzeniach.
Hidden metallic state to przewodząca forma strukturalna materiału, która wcześniej występowała jedynie tymczasowo i wyłącznie w bardzo niskich temperaturach. Dzięki odpowiedniemu cyklowi cieplnemu (thermal quenching) udaje się ją utrzymać w stabilnej formie. To zmienia zasady gry — oznacza bowiem, że do sterowania przewodnictwem wystarczy światło i ciepło, a nie warunki laboratoryjne.
Mieszany stan kwantowy — nowy typ fazy materii
Największym odkryciem było zaobserwowanie tzw. mieszanego stanu CDW, czyli układu, w którym w jednym materiale jednocześnie występują dwa różne „porządki” atomowe — jeden typ zachowuje się jak izolator (C-CDW), a drugi jak przewodnik (H-CDW). Zazwyczaj takie fazy się wykluczają, ale w tym przypadku potrafią współistnieć, o ile materiał zostanie schłodzony w odpowiednim tempie.
Wyobraźmy sobie, że materiał to ogromne osiedle zbudowane z klocków LEGO. Zwykle wszystkie domki są albo zbudowane w jednym stylu (np. z niebieskich klocków — izolator), albo w innym (np. z czerwonych — przewodnik). Ale naukowcy odkryli, że jeśli odpowiednio szybko „schłodzą” plac budowy, to oba stany mogą się zmieścić obok siebie na tej samej mapie. To właśnie tzw. mieszany stan CDW — czyli układ, w którym współistnieją dwa rodzaje uporządkowania elektronów i atomów: jeden blokuje przepływ prądu, a drugi go przepuszcza.
W normalnych warunkach taka sytuacja byłaby niestabilna — jak sąsiedztwo, gdzie raz obowiązuje ruch lewostronny, a za rogiem już prawostronny. A jednak w tym materiale to działa. Co więcej, badania wykazały, że prąd potrafi przez taką „dzielnicę” przepływać w jednym kierunku, ale w innym już nie. Można to porównać do bramy, która otwiera się tylko od strony wschodniej, a z pozostałych stron pozostaje zamknięta.
Naukowcom udało się udowodnić obecność obu stanów dzięki precyzyjnym badaniom struktury materiału i jego zachowania przy bardzo niskim napięciu. Potwierdziło to, że nowy stan przewodzi prąd tylko w pewnych kierunkach, a w innych nadal go blokuje. To trochę tak, jakby materiał działał jak częściowo otwarta brama: w jednym kierunku przepuszcza prąd, ale w innym – już niekoniecznie.
Elektrony w tym materiale nie są rozrzucone przypadkowo — zamiast tego tworzą uporządkowany wzór, jakby same ustawiały się w równych szeregach. To zjawisko nazywa się falą gęstości ładunku (CDW – charge density wave). Gdy elektrony układają się w ten sposób, to atomy też „dostosowują” swój układ, trochę jak meble przesuwane pod nowy układ kabli w ścianach.
Z kolei chiralność to sytuacja, w której ten sam wzór może być lewo- lub prawoskrętny — jak dwie spiralne klatki schodowe kręcące się w przeciwnych kierunkach. Oba warianty mogą wpływać inaczej na to, jak prąd przechodzi przez materiał.
Charge density wave (CDW) to zjawisko, w którym elektrony w materiale tworzą uporządkowany wzór — jakby same ustawiły się w równe szeregi. Zazwyczaj towarzyszy temu również lekkie przemieszczenie atomów dopasowujących się do rytmu elektronów.
Chiralność z kolei oznacza, że ten układ może mieć dwa warianty, będące lustrzanym odbiciem — coś jak lewa i prawa ręka. W przypadku 1T-TaS₂ te „domeny” o przeciwnym układzie mogą wpływać na to, czy w danym momencie opracowany materiał przewodzi prąd, czy jest dla niego izolatorem.
Światło jako nowy interfejs elektroniki
Nowością w proponowanym podejściu jest to, że materiał może być przełączany światłem — czyli w sposób znacznie szybszy niż dotychczasowe metody elektryczne. To umożliwia konstrukcję urządzeń zmieniających swój stan logiczny praktycznie w czasie rzeczywistym.
– Nie ma nic szybszego niż światło – podkreśla Fiete. – A my właśnie światła używamy do kontrolowania właściwości materiału w tempie ocierającym się o granice praw fizyki.
Przełączanie światłem oznacza też większą energooszczędność i potencjalnie prostsze układy — jeden materiał może pełnić funkcję tranzystora, przełącznika i pamięci.
1T-TaS₂ kontra krzem: kto wygra?
Współczesna elektronika opiera się na tranzystorach z krzemu — od dziesięcioleci miniaturyzowanych zgodnie z prawem Moore’a. Jednak coraz trudniej upchnąć więcej tranzystorów na tym samym obszarze — inżynierowie zaczęli je układać warstwowo, co rodzi nowe wyzwania termiczne i strukturalne.
Przez wiele lat rozwój komputerów napędzała prosta zasada: co dwa lata można dwukrotnie zwiększyć liczbę tranzystorów na tym samym kawałku krzemu. To właśnie przewidywało prawo Moore’a, które doskonale tłumaczyło, dlaczego komputery i telefony stawały się coraz szybsze, mniejsze i tańsze.
Dziś jednak zbliżamy się do fizycznych granic tej miniaturyzacji. Tranzystory są już tak małe, że dalsze ich zmniejszanie napotyka poważne problemy — nie tylko technologiczne, ale także związane z wydzielaniem ciepła i rosnącymi kosztami. Dlatego naukowcy szukają nowych rozwiązań — takich jak materiały kwantowe, które nie muszą być coraz mniejsze, bo działają szybciej z zupełnie innych powodów, na przykład reagując na sterowanie ich strukturą za pomocą światła.
Materiały takie jak 1T-TaS₂, zdolne do szybkiego przełączania stanów i utrzymywania ich przez długi czas, mogą wyeliminować konieczność stosowania wielowarstwowych konstrukcji. Jeden materiał — z możliwością dynamicznego sterowania — może zastąpić wiele elementów klasycznego układu scalonego.
– Jesteśmy w punkcie, w którym, aby uzyskać niesamowite ulepszenia w przechowywaniu informacji lub przyspieszeniu działania, potrzebujemy zupełnie nowego podejścia – wyjaśnia Fiete. – Komputery kwantowe to jedna z dróg do rozwiązania tego problemu, a kolejną jest innowacja w materiałach. Właśnie o to chodzi w tej pracy.
Praktyczne możliwości: od komputerów po czujniki
Stabilność przewodzącego stanu utrzymywanego przez miesiące, szybkie przełączanie, semimetaliczny charakter oraz brak konieczności kriogenicznego chłodzenia — te cechy sprawiają, że materiał 1T-TaS₂ może w przyszłości znaleźć zastosowanie w:
- ultraszybkich pamięciach RAM,
- procesorach nowej generacji operujących w terahercach,
- programowalnych układach scalonych,
- czujnikach reagujących na światło,
- niskotemperaturowych przełącznikach logicznych.
Nie mniej istotne jest to, że technologia ta może współpracować z istniejącymi układami — nie wymaga całkowitej rewolucji, lecz może być wdrażana stopniowo jako element uzupełniający.
Programowalna materia przyszłością elektroniki
Choć badania nad 1T-TaS₂ wciąż trwają, już teraz ich efekty pokazują, że przyszłość elektroniki może wyglądać zupełnie inaczej niż dziś. Zamiast kolejnych iteracji krzemu do gry wchodzą materiały, które można programować za pomocą światła i ciepła — zdolne zmieniać swoją funkcję z tranzystora na pamięć lub przewodnik.
Wyniki badań nad materiałem 1T-TaS₂ pokazują, że przełom w szybkości i efektywności elektroniki może nadejść nie z nowych algorytmów czy architektur, lecz z samej struktury materii. Możliwość trwałego przełączania między stanami przewodzącym i izolującym, za pomocą ciepła i światła, otwiera drogę do zupełnie nowych kategorii urządzeń.
Choć jesteśmy dopiero na początku tej drogi, to — jak sugerują autorzy badań — jesteśmy świadkami narodzin nowych możliwości inżynierii materiałowej. I być może właśnie teraz zaczyna się era światłosterowanych układów, które technologicznie mogą wyprzedzić wszystko, co dziś rozumiemy pod pojęciem „komputer”.
– To dopiero początek – zapewnia de la Torre. – Ale jeśli chcemy przejść od smartfonów do naprawdę inteligentnych systemów obliczeniowych, to potrzebujemy takich materiałów.
źródła: news.northeastern.edu, livescience.com, thebrighterside.news
Dodaj komentarz