Исследователи из Северо-Восточного университета обнаружили способ изменения электронного состояния материи по требованию. Это открытие может сделать электронику в 1000 раз быстрее и эффективнее.
Переключение между изоляционным и проводящим состояниями открывает потенциал для замены кремниевых компонентов в электронике на квантовые материалы, которые работают гораздо быстрее и занимают меньше места.
«Сейчас процессоры работают на гигагерцах, — говорит Альберто де ла Торре, доцент кафедры физики и ведущий автор исследования. — Скорость переключения, которую это обеспечит, позволит перейти к терагерцам».
Используя технику, которую они называют «термическим гашением», исследователи могут заставить квантовый материал переключаться между проводящим металлическим состоянием и изоляционным состоянием. Эти состояния можно мгновенно изменить с помощью той же техники.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Physics, представляют прорыв для учёных, занимающихся материалами, и будущего электроники: мгновенный контроль над тем, проводит ли материал электричество или изолирует его.
Эффект подобен переключению электронных сигналов транзистором. И так же, как транзисторы позволили компьютерам стать меньше — от огромных машин размером с комнату до телефона в вашем кармане, — контроль над квантовыми материалами может преобразовать электронику, говорит Грегори Фите, профессор физики в Северо-Восточном университете, который работал с де ла Торре над интерпретацией результатов.
«Каждый, кто когда-либо пользовался компьютером, сталкивался с ситуацией, когда хотелось, чтобы что-то загружалось быстрее, — говорит Фите. — Нет ничего быстрее света, и мы используем свет для управления свойствами материалов с максимально возможной скоростью, разрешённой физикой».
Осветив квантовый материал под названием 1T-TaS₂ при температуре, близкой к комнатной, исследователи достигли «скрытого металлического состояния», которое до сих пор было стабильно только при криогенно низких температурах. Теперь исследователи создали это проводящее металлическое состояние при более практичных температурах, говорит де ла Торре. Материал сохраняет своё запрограммированное состояние в течение месяцев — то, чего раньше никогда не удавалось достичь.
«Одна из главных задач — как управлять свойствами материалов по своему желанию? — говорит Фите. — Мы стремимся к высшему уровню контроля над свойствами материалов. Мы хотим, чтобы они делали что-то очень быстро с очень определённым результатом, потому что именно это можно затем использовать в устройстве».
Пока что электронным устройствам нужны как проводящие, так и изоляционные материалы, а также хорошо спроектированный интерфейс между ними. Это открытие позволяет использовать только один материал, которым можно управлять с помощью света для проведения, а затем изоляции.
«Мы устраняем одну из инженерных задач, объединяя всё в одном материале, — говорит Фите. — И мы заменяем интерфейс светом в более широком диапазоне температур».
Исследование основано на предыдущей работе, в которой использовались сверхбыстрые лазерные импульсы для временного изменения способа проведения электричества материалами. Но эти изменения длились лишь крошечные доли секунды и обычно при экстремально низких температурах.
Стабильное переключение проводимости при более высоких температурах — значительный шаг вперёд для квантовой механики, говорит Фите, и для долгосрочной игры по дополнению или замене кремниевых технологий. Полупроводники, по его словам, настолько насыщены логическими компонентами, что инженеры теперь размещают их в трёх измерениях. Но этот подход имеет ограничения, говорит он, что делает крошечные квантовые материалы более важными для проектирования электроники.
«Мы находимся в точке, когда для достижения удивительных улучшений в хранении информации или скорости работы нам нужна новая парадигма, — говорит Фите. — Квантовые вычисления — это один из способов решения этой задачи, а другой — инновации в области материалов. Вот о чём на самом деле идёт речь в этой работе».
Предоставлено Северо-Восточным университетом.
Эта история перепечатана с любезного разрешения Northeastern Global News news.northeastern.edu.