Электроника будущего: новый материал обещает ускорить компьютеры и смартфоны в 1000 раз

Ученые из Северо-Восточного университета совершили прорыв в управлении квантовым материалом, который может привести к созданию электроники, в 1000 раз превосходящей по скорости современные кремниевые устройства. Ключ к успеху – метод термической закалки, позволяющий переключать материал между состоянием проводника и изолятора с помощью точного нагрева и охлаждения.

Материалом, над которым работали исследователи, является 1T-TaS₂, дихалькогенид переходного металла. Обычно он проявляет металлические свойства (то есть проводит электричество) только при экстремально низких температурах, что делает его непригодным для повседневного использования. Однако ученые нашли способ стабилизировать это состояние при гораздо более высоких, близких к комнатной температуре, и поддерживать его на протяжении нескольких месяцев. Это огромный шаг вперед, учитывая, что предыдущие попытки ограничивались долями секунды.

Переход на терагерцы – что это значит?

"Современные процессоры работают на частотах в гигагерцах", - объясняет Альберто де ла Торре, ведущий автор исследования. "Новая технология позволит совершить переход на терагерцы, что радикально увеличит скорость обработки данных".

Представьте себе, что ваш смартфон или компьютер будут реагировать на ваши действия мгновенно, а сложные вычисления будут выполняться в мгновение ока. Именно это обещает переход на терагерцовые частоты.

Для достижения такого результата исследователи использовали свет, чтобы инициировать изменения в материале. Они обнаружили, что, комбинируя различные волны зарядовой плотности (CDW) – особые способы организации электронов внутри материала – можно стабилизировать скрытое металлическое состояние CDW. Ранее считалось, что это состояние возможно только при очень низких температурах. Теперь же доказано, что оно может существовать при температуре до -63°C, что делает его гораздо более пригодным для практического применения.

Как это работает: взгляд изнутри

Для изучения материала использовались передовые инструменты, такие как рентгеновское картирование и сканирующая туннельная спектроскопия. С их помощью ученые выяснили, что металлические и изолирующие области внутри материала имеют различные паттерны зеркальной симметрии и даже приводят к увеличению элементарной ячейки (основного строительного блока кристалла) в три раза в одном направлении. Интересно, что, несмотря на наличие металлических областей и измеримую плотность состояний, материал в целом действует как изолятор из-за особенностей слоев CDW.

Управление светом: ключ к эффективности

"Каждый пользователь компьютера хоть раз мечтал о более быстрой загрузке", - говорит профессор Грегори Файете. "Скорость света – предел, и мы используем свет для управления свойствами материала практически на предельной скорости, допускаемой физикой".

Такой контроль аналогичен работе транзисторов (миниатюрных переключателей, управляющих потоком электроэнергии в микросхемах), но вместо отдельных материалов и сложных интерфейсов, исследователи могут использовать один материал и управлять им с помощью света. Это упростит и удешевит производство будущих устройств.

Новые горизонты: возможности за пределами кремния

"Мы упрощаем задачу проектирования, объединяя все необходимые функции в одном материале", - отмечает Файете. "И мы заменяем сложный интерфейс управлением светом в более широком диапазоне температур".

Это открытие открывает новые возможности для создания электроники, превосходящей по своим характеристикам кремниевые технологии. По мере того, как чипы становятся все более плотными, а инженеры начинают создавать трехмерные микросхемы, возникает потребность в новых материалах, способных выполнять больше функций в меньшем объеме.

"Главный вопрос – как управлять свойствами материала по нашему желанию?" - говорит Файете. "Мы стремимся к высочайшему уровню контроля над свойствами материала, чтобы он работал быстро и с предсказуемым результатом, что необходимо для создания эффективных устройств".

"Мы достигли точки, когда для значительного прогресса в хранении информации и скорости работы необходима новая парадигма", - добавляет он. "Квантовые вычисления – один из путей, а инновационные материалы – другой. Именно в этом суть нашей работы".

Это действительно впечатляющий прорыв, который, в случае успешного масштабирования, может открыть новую эру в развитии вычислительной техники и электроники, сделав наши устройства значительно быстрее и эффективнее.