Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Northeastern βρήκαν έναν τρόπο να ελέγχουν τη συμπεριφορά ενός κβαντικού υλικού — εναλλάσσοντάς το μεταξύ της αγωγιμότητας του ηλεκτρισμού και της εμπόδισής του — χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται θερμική απόσβεση, η οποία περιλαμβάνει την προσεκτική θέρμανση και ψύξη του υλικού. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να οδηγήσει σε ηλεκτρονικά που είναι έως και 1000 φορές ταχύτερα από τις σημερινές συσκευές που βασίζονται στο πυρίτιο.
Το υλικό με το οποίο εργάστηκαν ονομάζεται 1T-TaS₂, ένας κρύσταλλος διχαλκογενιδίου μεταβατικού μετάλλου. Κανονικά, εμφανίζει μια ειδική μεταλλική κατάσταση μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη χρήση του σε καθημερινές συσκευές. Αλλά η ομάδα ανακάλυψε πώς να κάνει αυτήν την κατάσταση σταθερή σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες, κοντά στο επίπεδο δωματίου, και να τη διατηρεί έτσι για μήνες. Αυτό είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός, καθώς οι προηγούμενες προσπάθειες διαρκούσαν μόνο για μικροσκοπικά κλάσματα του δευτερολέπτου.
«Οι επεξεργαστές λειτουργούν σε γιγαχέρτζ αυτή τη στιγμή», δήλωσε ο Αλμπέρτο ντε λα Τόρε, επίκουρος καθηγητής φυσικής και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. «Η ταχύτητα αλλαγής που θα επέτρεπε αυτό θα σας επέτρεπε να φτάσετε στα τεραχέρτζ».
Για να συμβεί αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φως για να προκαλέσουν αλλαγές στο υλικό. Διαπίστωσαν ότι συνδυάζοντας διαφορετικά μοτίβα κυμάτων πυκνότητας φορτίου (CDW), τα οποία είναι οι τρόποι με τους οποίους οργανώνονται τα ηλεκτρόνια, μπορούσαν να σταθεροποιήσουν μια κρυφή μεταλλική κατάσταση CDW. Αυτή η κατάσταση εμφανιζόταν προηγουμένως μόνο σε κρυογονικές θερμοκρασίες και δεν ήταν καλά κατανοητή. Τώρα, έχουν δείξει ότι μπορεί να υπάρχει έως και 210 K (−63°C), κάτι που είναι πολύ πιο πρακτικό.
Χρησιμοποίησαν προηγμένα εργαλεία όπως η χαρτογράφηση ακτίνων Χ και η φασματοσκοπία σάρωσης σήραγγας για να μελετήσουν το υλικό. Αυτά αποκάλυψαν ότι οι μεταλλικές και μονωτικές περιοχές μέσα στο υλικό έχουν διαφορετικά πρότυπα συμμετρίας κατόπτρου και μάλιστα προκαλούν τριπλασιασμό του μεγέθους της κυψελίδας μονάδας, του βασικού δομικού στοιχείου του κρυστάλλου, προς τη μία κατεύθυνση. Παρόλο που υπάρχουν μεταλλικές περιοχές και μια μετρήσιμη πυκνότητα καταστάσεων, το υλικό εξακολουθεί να λειτουργεί ως μονωτής συνολικά λόγω του τρόπου με τον οποίο στοιβάζονται τα στρώματα CDW.
«Όλοι όσοι έχουν χρησιμοποιήσει ποτέ υπολογιστή συναντούν ένα σημείο όπου εύχονται κάτι να φορτώνει πιο γρήγορα», δήλωσε ο Γκρέγκορι Φίτε, καθηγητής φυσικής στο Northeastern. «Δεν υπάρχει τίποτα πιο γρήγορο από το φως και χρησιμοποιούμε το φως για να ελέγξουμε τις ιδιότητες των υλικών ουσιαστικά με την ταχύτερη δυνατή ταχύτητα που επιτρέπει η φυσική».
Αυτό το είδος ελέγχου είναι παρόμοιο με τον τρόπο λειτουργίας των τρανζίστορ, αλλά αντί να χρειάζονται ξεχωριστά υλικά και πολύπλοκες διεπαφές, οι ερευνητές μπορούν πλέον να χρησιμοποιούν μόνο ένα υλικό και να το ελέγχουν με φως. Αυτό θα μπορούσε να κάνει τις μελλοντικές συσκευές απλούστερες και πιο αποτελεσματικές.
«Εξαλείψαμε μία από τις μηχανικές προκλήσεις ενσωματώνοντάς τες σε ένα υλικό», είπε ο Fiete. «Και αντικαθιστούμε τη διεπαφή με φως εντός ενός ευρύτερου εύρους θερμοκρασιών».
Η ανακάλυψη ανοίγει επίσης νέες δυνατότητες για τον σχεδιασμό ηλεκτρονικών πέρα από αυτά που μπορεί να προσφέρει το πυρίτιο. Καθώς τα τσιπ γίνονται όλο και πιο πυκνά και οι μηχανικοί αρχίζουν να τα στοιβάζουν σε 3D, υπάρχει ανάγκη για νέα υλικά που μπορούν να κάνουν περισσότερα σε λιγότερο χώρο.
«Μία από τις μεγάλες προκλήσεις είναι πώς ελέγχονται οι ιδιότητες των υλικών κατά βούληση;» είπε ο Fiete. «Αυτό που επιδιώκουμε είναι το υψηλότερο επίπεδο ελέγχου των ιδιοτήτων των υλικών. Θέλουμε να κάνει κάτι πολύ γρήγορα, με ένα πολύ βέβαιο αποτέλεσμα, επειδή αυτό είναι το είδος του πράγματος που μπορεί στη συνέχεια να αξιοποιηθεί σε μια συσκευή».
«Βρισκόμαστε σε ένα σημείο όπου για να επιτύχουμε εκπληκτικές βελτιώσεις στην αποθήκευση πληροφοριών ή στην ταχύτητα λειτουργίας, χρειαζόμαστε ένα νέο πρότυπο», πρόσθεσε. «Η κβαντική υπολογιστική είναι μια οδός για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος και μια άλλη είναι η καινοτομία στα υλικά. Αυτό ακριβώς είναι το αντικείμενο αυτής της εργασίας».
Πηγή: Πανεπιστήμιο Northeastern, Φύση
