Forskere ved Northeastern University har opdaget, hvordan man ændrer den elektroniske materielstilstand efter behov, et gennembrud, der kunne gøre elektronik 1.000 gange hurtigere og mere effektiv.
Ved at skifte fra isolering til ledning og omvendt skaber opdagelsen potentialet til at erstatte siliciumkomponenter i elektronik med eksponentielt mindre og hurtigere kvantematerialer.
“Processorer arbejder i Gigahertz lige nu,” sagde Alberto De La Torre, adjunkt i fysik og hovedforfatter af forskningen. “Den ændringshastighed, som dette ville give, ville give dig mulighed for at gå til Terahertz.”
Via kontrolleret opvarmning og afkøling, en teknik, de kalder “termisk slukning”, er forskere i stand til at foretage en kvantemateriale switch mellem en metal ledende tilstand og en isolerende tilstand. Disse stater kan vendes øjeblikkeligt ved hjælp af den samme teknik.
Udgivet i tidsskriftet Naturfysikforskningsresultaterne repræsenterer et gennembrud for materialerforskere og elektronikens fremtid: øjeblikkelig kontrol over, om et materiale udfører eller isolerer elektricitet.
Effekten er som en transistor, der skifter elektroniske signaler. Og ligesom transistorer gjorde det muligt for computere at blive mindre – fra de enorme maskiner på størrelse med værelserne til telefonen i lommen – har kontrol over kvantematerialer potentialet til at transformere elektronik, siger Gregory Fiete, en professor i fysik i det nordøstlige, der arbejdede med de la Torre for at fortolke resultaterne.
“Alle, der nogensinde har brugt en computer, møder et punkt, hvor de ønsker, at noget ville indlæse hurtigere,” siger Fiete. “Der er ikke noget hurtigere end lys, og vi bruger lys til at kontrollere materialegenskaber ved i det væsentlige den hurtigst mulige hastighed, som fysikken er tilladt.”
Ved at skinne lys på et kvantemateriale kaldet 1T-Tas₂ tæt på stuetemperatur opnåede forskere en “skjult metallisk tilstand”, der hidtil kun havde været stabil ved kryogenisk kolde temperaturer. Nu har forskere skabt den ledende metalliske tilstand ved mere praktiske temperaturer, siger de la Torre. Materialet opretholder sin programmerede tilstand i flere måneder – noget, der aldrig er opnået før.
“En af de store udfordringer er, hvordan kontrollerer du materielle egenskaber efter eget ønske?” siger Fiete. “Det, vi skyder efter, er det højeste kontrolniveau over materielle egenskaber. Vi ønsker, at det skal gøre noget meget hurtigt, med et meget bestemt resultat, fordi det er den slags ting, der derefter kan udnyttes på en enhed.”
Indtil videre har elektroniske enheder brug for både ledende og isolerende materialer plus en veludviklet grænseflade mellem de to. Denne opdagelse gør det muligt at bruge kun et materiale, der kan kontrolleres med lys til at lede og derefter isolere.
“Vi eliminerer en af de tekniske udfordringer ved at sætte det hele i et materiale,” siger Fiete. “Og vi erstatter grænsefladen med lys inden for et bredere temperaturområde.”
Forskningen udvides med tidligere arbejde, der brugte ultrahurtige laserpulser til midlertidigt at ændre den måde, materialer udfører elektricitet på. Men disse ændringer varede kun små fraktioner af et sekund og normalt ved ekstremt kolde temperaturer.
Stabil konduktivitetsskift ved højere temperaturer er et betydeligt fremskridt for kvantemekanik, siger Fiete, og for det lange spil med at supplere eller erstatte siliciumbaseret teknologi. Halvledere, siger han, er så tæt med logiske komponenter, at ingeniører nu stabler dem i tre dimensioner. Men denne tilgang har begrænsninger, sagde han, hvilket gør små kvantematerialer vigtigere for elektronikdesign.
“Vi er på et punkt, hvor vi for at få fantastiske forbedringer i informationsopbevaring eller driftshastigheden har brug for et nyt paradigme,” siger Fiete. “Quantum computing er en rute til håndtering af denne, og en anden er at innovere i materialer. Det er, hvad dette arbejde virkelig handler om.”