Μια νέα ανακάλυψη στον τομέα των κβαντικών υλικών υπόσχεται να φέρει επανάσταση στον τρόπο που κατασκευάζονται και λειτουργούν τα ηλεκτρονικά, καθιστώντας τα έως και 1000 φορές ταχύτερα και πιο αποδοτικά. Ερευνητές αποκάλυψαν έναν πρωτοποριακό τρόπο ελέγχου των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων ενός υλικού μέσω θερμικής επεξεργασίας, προσφέροντας την προοπτική αντικατάστασης του παραδοσιακού πυριτίου με κάτι πολύ πιο ισχυρό και ευέλικτο.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στις 27 Ιουνίου στο περιοδικό Nature Physics, παρουσιάζει το υλικό 1T-TaS₂, ένα κβαντικό υλικό το οποίο μπορεί να συμπεριφέρεται είτε ως μονωτής είτε ως αγωγός του ηλεκτρισμού, ανάλογα με τη θερμοκρασία στην οποία εκτίθεται. Μέχρι πρότινος, η μετατροπή του υλικού σε αγώγιμη κατάσταση μπορούσε να επιτευχθεί μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και για ελάχιστο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, οι ερευνητές απέδειξαν ότι με τη χρήση μιας τεχνικής που ονομάζεται θερμική απόσβεση (thermal quenching), το υλικό μπορεί πλέον να παραμένει σε αυτή την μεταλλική κατάσταση για μήνες, και μάλιστα σε πολύ πιο πρακτικά επίπεδα θερμοκρασίας, περίπου στους -73°C.
Ο επικεφαλής της μελέτης, Alberto de la Torre, φυσικός υλικών στο Northeastern University, εξηγεί πως αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να εκτοξεύσει την ταχύτητα επεξεργασίας των υπολογιστών, ξεπερνώντας τα σημερινά όρια των gigahertz και εισάγοντας τα συστήματα στην εποχή των terahertz. Αυτό σημαίνει ότι το πλήθος των δεδομένων που θα μπορούν να επεξεργάζονται ταυτόχρονα οι ηλεκτρονικές συσκευές θα αυξηθεί θεαματικά.
Η βασική διαδικασία που ακολουθήθηκε βασίζεται στη χρήση φωτός για τη θέρμανση του 1T-TaS₂. Η έκθεση στο φως ενεργοποιεί τις ιδιότητές του, επιτρέποντάς του να αγωγεί ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή να λειτουργεί σαν μέταλλο. Όταν το φως απομακρυνθεί, η θερμοκρασία πέφτει και το υλικό επανέρχεται στην αρχική του, μονωτική κατάσταση. Ουσιαστικά, αυτή η συμπεριφορά παραπέμπει στη λειτουργία ενός τρανζίστορ – ενός βασικού δομικού στοιχείου της σύγχρονης ηλεκτρονικής, το οποίο ρυθμίζει τη ροή του ηλεκτρισμού.
Αυτό που καθιστά την ανακάλυψη ακόμη πιο σημαντική είναι η δυνατότητα ελέγχου των ιδιοτήτων του υλικού με απόλυτη ακρίβεια και ταχύτητα. Όπως δήλωσε ο Gregory Fiete, θεωρητικός φυσικός επίσης στο Northeastern University και συν-συγγραφέας της μελέτης, «αυτό που επιδιώκουμε είναι ο απόλυτος έλεγχος πάνω στις ιδιότητες των υλικών. Θέλουμε να προκαλούμε μία πολύ γρήγορη αλλαγή με σαφές αποτέλεσμα, γιατί αυτό είναι που μπορεί να αξιοποιηθεί στη δημιουργία πραγματικών συσκευών».
Η χρήση φωτός ως μέσου ενεργοποίησης αποτελεί κρίσιμο πλεονέκτημα, καθώς προσφέρει τη μέγιστη δυνατή ταχύτητα ελέγχου. «Δεν υπάρχει τίποτα πιο γρήγορο από το φως», επισημαίνει ο Fiete. «Και εμείς χρησιμοποιούμε το φως για να ρυθμίζουμε τις ιδιότητες ενός υλικού σχεδόν με τη μέγιστη ταχύτητα που επιτρέπει η φυσική».
Ένα ακόμη σημαντικό στοιχείο είναι ότι το 1T-TaS₂ ενσωματώνει και τις δύο λειτουργίες – αγωγιμότητα και μόνωση – στο ίδιο υλικό, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για σύνθετες αρχιτεκτονικές με πολλαπλά εξαρτήματα. Αυτό θα μπορούσε να επιλύσει σημαντικά μηχανικά προβλήματα και να συμβάλει στη δημιουργία εξαιρετικά μικρών, ελαφριών και ενεργειακά αποδοτικών ηλεκτρονικών συσκευών.
Η μελέτη αυτή ανοίγει το δρόμο για ένα εντελώς νέο κεφάλαιο στην τεχνολογία της πληροφορίας. Η παραδοσιακή εξέλιξη των επεξεργαστών, σύμφωνα με τον Νόμο του Moore, βασίστηκε στη συνεχή σμίκρυνση των τρανζίστορ. Όμως πλέον έχουμε φτάσει κοντά στα φυσικά όρια αυτής της προσέγγισης. Η μετάβαση σε κβαντικά υλικά όπως το 1T-TaS₂ θα μπορούσε να ξεκλειδώσει ένα νέο παράδειγμα ανάπτυξης, επιτρέποντας την εξέλιξη των ηλεκτρονικών χωρίς τους περιορισμούς του πυριτίου.
[via]
