Прорыв в науке о материалах способен сделать компьютеры в тысячи раз быстрее

По мере того, как технология изготовления всё более миниатюрных, быстрых и энергоэффективных кремниевых чипов подходит к физическим пределам, учёные экспериментируют с множеством новых материалов

По мере того, как технология изготовления всё более миниатюрных, быстрых и энергоэффективных кремниевых чипов подходит к физическим пределам, учёные экспериментируют с множеством новых материалов, которые могли бы стать заменой кремнию. Новое исследование, проведённое командой из Национальной лаборатории ускорения частиц SLAC из США, добавляет в список несколько новых многообещающих кандидатов.

В статье, недавно опубликованной в журнале «Nature Materials», они описывают результаты своих наблюдений за процессом электрического переключения в магнетите – природном магнитном оксиде железа. Способность выступать в качестве переключателя, который может быть либо «включён» (проводит ток), либо «выключен» (не проводит) является базисом для транзистора — строительного элемента любой электрической схемы. И хотя магнетит сам по себе не может заменить кремний, это исследование открывает двери для других сходных материалов.

Исследования показали, что электрическое состояние магнетита может переключаться за одну триллионную долю секунды – это в тысячи раз быстрее, чем в современных транзисторах. В теории, компьютер, сделанный на чипах из магнетита вместо кремния, смог бы работать во столько же раз быстрее. Но поскольку магнетиту необходимо охлаждение до -130 градусов Цельсия, чтобы зафиксировать его электрические заряды, он вряд ли найдёт себе дорогу в компьютеры где-либо в обозримом будущем.

Но что впечатляет даже больше, чем сам материал – так это метод, применённый для его исследования. До сегодняшнего дня учёные не могли наблюдать процесс переключения состояний в конкурентах кремния, поскольку оптические лазеры, которые применялись для этого, не были достаточно точны. С помощью интенсивных рентгеновских вспышек, которые длятся всего лишь одну квадриллионную долю секунды, исследователи, наконец, сумели увидеть момент переключения материала от изолятора к проводнику. Они также обнаружили, что только некоторые атомы материала «включались», а остальные оставались в состоянии изолятора – однако электроны находили способ обойти эти участки, демонстрируя, что для выполнения функций транзистора материалу не требуется полное переключение.

Теперь учёные надеются продолжить эксперимент с материалами, которые могут функционировать при комнатной температуре. Одним из таких перспективных материалов является диоксид ванадия, с которым исследователи и работают в настоящий момент. Если им удастся найти вещество, которое способно вести себя так же, как магнетит, но при более высокой температуре – то следующим шагом станет поиск способа изменять его состояние без лазера – в идеале, с помощью коротких сильных электрических импульсов, как в традиционном транзисторе. Когда это случится, сейчас сложно предсказать, однако исследователи полагают, что их команда уже совершила немалый скачок в нужном направлении.