Μια ανακάλυψη από ερευνητές του Rice University ανοίγει νέους δρόμους στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών και υπόσχεται σημαντική μείωση στην κατανάλωση ενέργειας των μελλοντικών υπολογιστών. Η ομάδα απέδειξε ότι μικροσκοπικές «ρυτίδες» που σχηματίζονται σε δισδιάστατα υλικά μπορούν να λειτουργήσουν ως πολύτιμο εργαλείο για τον έλεγχο του ηλεκτρονικού spin, ενός κβαντικού φαινομένου που βρίσκεται στο επίκεντρο των λεγόμενων spintronics.
Σήμερα, τα περισσότερα ψηφιακά κυκλώματα στηρίζονται στη ροή φορτίου ηλεκτρονίων σε ημιαγωγούς, κυρίως στο πυρίτιο. Ωστόσο, η αλματώδης ζήτηση για μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ συνοδεύεται από τεράστια αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας. Αυτός είναι και ο λόγος που η επιστημονική κοινότητα εξετάζει εντατικά την προοπτική των spintronics, δηλαδή της αξιοποίησης του spin – την ιδιότητα του ηλεκτρονίου να προσανατολίζεται προς τα «πάνω» ή προς τα «κάτω» – για αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων. Η προοπτική είναι ελκυστική: ταχύτερες, πιο συμπαγείς και, κυρίως, λιγότερο ενεργοβόρες συσκευές.
Το μεγάλο εμπόδιο, μέχρι σήμερα, ήταν η ευθραυστότητα του spin. Καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα σε ένα υλικό, συχνά συγκρούονται μεταξύ τους ή με ατέλειες, με αποτέλεσμα να χάνουν τον κβαντικό τους προσανατολισμό. Αυτό καθιστά δύσκολη την κατασκευή αξιόπιστων συσκευών που να βασίζονται στη διατήρηση του spin.
Η ομάδα του καθηγητή Boris Yakobson στο Rice University κατέληξε σε μια απρόσμενη λύση: οι μικρές πτυχές που δημιουργούνται όταν ένα δισδιάστατο υλικό, όπως το διτελλουρίδιο του μολυβδαινίου, λυγίζει, μπορούν να σταθεροποιήσουν το spin των ηλεκτρονίων. Σε αυτές τις «ρυτίδες» γεννιέται ένα φαινόμενο γνωστό ως επίμονη σπειροειδής έλικα (PSH), το οποίο διατηρεί τον κβαντικό προσανατολισμό ακόμη και σε συνθήκες όπου διαφορετικά θα χανόταν.
Το φαινόμενο αυτό εξηγείται από την αλληλεπίδραση του spin με το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται λόγω της καμπυλότητας του υλικού. Όσο πιο έντονη είναι η πτύχωση, τόσο ισχυρότερη γίνεται η αλληλεπίδραση. Σε ακραίες περιπτώσεις, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι το spin οργανώνεται σε μια ελικοειδή δομή, εναλλασσόμενο ανάμεσα σε «πάνω» και «κάτω» σε απόσταση μόλις ενός νανομέτρου, η μικρότερη που έχει καταγραφεί ποτέ για την περιστροφή ηλεκτρονίου.
Η ανακάλυψη αυτή θεωρείται ορόσημο, καθώς ανοίγει τον δρόμο για συσκευές εξαιρετικά μικρού μεγέθους, οι οποίες αξιοποιούν τα κβαντικά φαινόμενα χωρίς να απαιτούνται περίπλοκες διαδικασίες κατασκευής. Με απλούς μηχανικούς χειρισμούς, όπως η κάμψη ή η συμπίεση ενός υλικού, οι ερευνητές μπορούν πλέον να «σχεδιάσουν» νέα ηλεκτρονικά πεδία με ακρίβεια. Αυτό σημαίνει ότι οι ίδιες οι ατέλειες ή οι παραμορφώσεις των υλικών, που παλαιότερα θεωρούνταν πρόβλημα, μετατρέπονται σε πλεονέκτημα και εργαλείο ανάπτυξης.
Η σημασία του ευρήματος γίνεται ακόμη πιο έντονη αν σκεφτούμε ότι μέχρι σήμερα η ελαστική μηχανική και η κβαντική φυσική σπάνια συναντιούνταν. Όπως εξηγεί ο Sunny Gupta, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, η ομάδα απέδειξε ότι ακόμη και μια μακροσκοπική αλλαγή στη γεωμετρία ενός ατομικού υλικού μπορεί να επηρεάσει τις πιο λεπτές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο spin και τον πυρήνα του ηλεκτρονίου.
Η μελέτη, που χρηματοδοτήθηκε από την National Science Foundation και το αμερικανικό Υπουργείο Άμυνας, δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Matter. Το γεγονός ότι η έρευνα υποστηρίχθηκε από φορείς τόσο διαφορετικού χαρακτήρα υπογραμμίζει τη διττή σημασία της: επιστημονική, αλλά και στρατηγική. Η δυνατότητα ανάπτυξης μικρότερων, ταχύτερων και πιο αποδοτικών ηλεκτρονικών συσκευών ενδιαφέρει τόσο την ακαδημαϊκή κοινότητα όσο και την αμυντική βιομηχανία.
Αν αυτή η τεχνολογία εξελιχθεί σε πρακτικές εφαρμογές, θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται οι υπολογιστές και οι φορητές συσκευές. Στον κόσμο της πληροφορικής, όπου η κάθε γενιά προϊόντων απαιτεί περισσότερη ισχύ σε μικρότερο χώρο, η προοπτική να χρησιμοποιηθούν οι «ρυτίδες» της ύλης για τον έλεγχο του spin ανοίγει συναρπαστικές δυνατότητες. Από smartphones με μεγαλύτερη διάρκεια μπαταρίας μέχρι υπερυπολογιστές με μειωμένο ενεργειακό αποτύπωμα, οι επιπτώσεις μπορεί να είναι τεράστιες.
[via]
