Μια τεχνολογική ανακάλυψη υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο που λειτουργούν οι ηλεκτρονικές συσκευές μας. Ερευνητές ανέπτυξαν ένα νέο είδος διακόπτη, τον λεγόμενο «οπτοεξιτονικό διακόπτη», ο οποίος θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια γενιά υπολογιστικών συστημάτων που δεν εκπέμπουν θερμότητα. Η εξέλιξη αυτή δεν αφορά μόνο τα κινητά και τους υπολογιστές μας, αλλά και τεράστιες υποδομές όπως τα data centers ή ακόμη και τα μελλοντικά κβαντικά συστήματα.
Κάθε φορά που χρησιμοποιούμε ένα ηλεκτρονικό σύστημα, η ροή ηλεκτρονίων προκαλεί απώλειες ενέργειας με τη μορφή θερμότητας. Αυτός είναι ο λόγος που ένα laptop υπερθερμαίνεται όταν «τρέχει» ένα απαιτητικό παιχνίδι, ή γιατί τα data centers χρειάζονται ολόκληρες εγκαταστάσεις ψύξης για να λειτουργούν. Ουσιαστικά, οι ηλεκτρονικοί διακόπτες που ελέγχουν τη μεταφορά ενέργειας και σήματος είναι αναπόφευκτα συνδεδεμένοι με την παραγωγή θερμότητας.
Η καινοτομία των ερευνητών βασίζεται σε ένα διαφορετικό είδος σωματιδίων: τα εξιτόνια. Πρόκειται για κβαντικά «υβρίδια» που σχηματίζονται όταν ένα ηλεκτρόνιο διεγείρεται και εγκαταλείπει τη θέση του σε ένα άτομο, αφήνοντας πίσω του μια «τρύπα». Το ηλεκτρόνιο με αρνητικό φορτίο και η τρύπα με θετικό φορτίο ενώνονται σε ένα ουδέτερο σύνολο. Επειδή είναι ουδέτερα, τα excitons μπορούν να μεταφέρουν πληροφορία χωρίς να παράγουν θερμότητα.
Όπως εξηγεί ο Parag Deotore, αναπληρωτής καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών και συν-συγγραφέας της μελέτης,
Κάθε φορά που αποθηκεύεις ή απελευθερώνεις ενέργεια σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, δημιουργείται θερμότητα. Ένα εξιτόνιο, όμως, λειτουργεί σαν φωτόνιο, δηλαδή είναι ουδέτερο και χωρίς θερμική εκπομπή.
Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό ACS Nano, είναι η πρώτη που καταφέρνει να χρησιμοποιήσει excitons σε έναν διακόπτη με επιδόσεις ανώτερες από τις καλύτερες υπάρχουσες φωτονικές τεχνολογίες. Το νέο σύστημα όχι μόνο εξαλείφει τη θερμότητα, αλλά επιτρέπει και μίνι διακόπτες δύο τάξεις μεγέθους μικρότερους σε σχέση με τα σημερινά ηλεκτρονικά. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για συστήματα υπολογιστών που δεν θα χρειάζονται ανεμιστήρες ψύξης και για κινητά με μπαταρίες που διαρκούν πολύ περισσότερο.
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας δεν ήταν απλή. Τα εξιτόνια, όντας ουδέτερα, δεν μπορούν να καθοδηγηθούν με τον ίδιο τρόπο όπως τα ηλεκτρόνια μέσω ηλεκτρικού φορτίου. Για να τα «οδηγήσουν», οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν φωτόνια δημιουργώντας ένα είδος μονοδιάστατης «ράχης» πάνω στην οποία κινούνταν τα excitons.
Το κρίσιμο στοιχείο ήταν το σωστό πάχος του υλικού. Όπως εξηγεί ο Mackillo Kira, καθηγητής μηχανικής και συν-διευθυντής του Quantum Research Institute,
Αν το πάχος δεν είναι σωστό, το φως δεν αλληλεπιδρά όπως πρέπει με τα εξιτόνια και η κίνηση καταστρέφεται. Χρειάστηκε να βρούμε το μαγικό πάχος, και όταν το καταφέραμε, τα εξιτόνια κινήθηκαν όπως ακριβώς προβλέπαμε.
Η επιτυχία αυτή επαληθεύτηκε πειραματικά, καθώς το χρώμα των εξιτονίων άλλαζε κατά μήκος της διαδρομής, σημάδι ότι η θεωρία λειτουργούσε.
Σύμφωνα με τα πρώτα αποτελέσματα, οι νέοι διακόπτες έχουν ήδη επιδόσεις που ισοδυναμούν ή ξεπερνούν τις τρέχουσες τεχνολογίες. Το μεγάλο στοίχημα είναι η κλιμάκωση. Για να φτάσουμε σε εξιτονικά κυκλώματα που θα αντικαταστήσουν τα σημερινά ηλεκτρονικά, χρειάζονται νέα υλικά και νέες μεθόδους κατασκευής. Παρόλα αυτά, οι ερευνητές εκτιμούν ότι οι προκλήσεις αυτές μπορούν να ξεπεραστούν μέσα στις επόμενες δεκαετίες.
Η σημασία της ανακάλυψης είναι τεράστια. Η θερμότητα θεωρείται ίσως το μεγαλύτερο πρόβλημα της σύγχρονης πληροφορικής. Αν τα εξιτονικά κυκλώματα καταφέρουν να το λύσουν, θα μπορούσαν να μειώσουν δραστικά το μέγεθος των συσκευών, να αυξήσουν εκθετικά την απόδοση τους και να αλλάξουν τους κανόνες του παιχνιδιού στην πληροφορική.
Από τους προσωπικούς υπολογιστές και τα smartphones μέχρι τα data centers που αποτελούν τη ραχοκοκαλιά του διαδικτύου, η εξάλειψη της σπατάλης θερμότητας θα μπορούσε να σημαίνει συστήματα πιο αποδοτικά, πιο φιλικά προς το περιβάλλον και με απίστευτα μεγαλύτερη αντοχή.
Η ερευνητική ομάδα δεν κρύβει την αισιοδοξία της. Όπως τονίζουν, η πρόοδος που έχει επιτευχθεί μέχρι τώρα δείχνει ότι το όραμα δεν είναι επιστημονική φαντασία, αλλά ένα πιθανό μέλλον.
[via]
