ScienceDaily
2019_271_16
Nova študija predstavlja pomemben napredek v topoloških tranzistorjih in elektronskih napravah zunaj CMOS-a. Prvič se je dogodilo, da se topološko stanje v topološkem izolatorju vklopi in izklopi z uporabo električnega polja. Raziskovalci so dokazali, da je to možno pri sobni temperaturi, ki je potrebna za morebitno nadomestitev CMOS tehnologije pri vsakodnevnih aplikacijah.
V zadnjem desetletju je bilo veliko navdušenja zaradi odkritja, ki ga je Nobelova nagrada za fiziko priznala pred samo dvema letoma, da obstajata dve vrsti izolatorjev: normalni izolatorji, ki ne izvajajo elektrike, in topološki izolatorji – na novo odkriti materiali, ki prevajajo elektriko le na svojih robovih.
Raziskovalci FLEET na Univerzi Monash v Avstraliji so prvič uspešno uporabili material med tema dvema stanjema snovi z uporabo električnega polja. To je prvi korak pri ustvarjanju delujočega topološkega tranzistorja – predlagane nove generacije elektronskih naprav z izjemno nizko porabo energije. Izjemno nizkoenergijska elektronika, kot so topološki tranzistorji, bi omogočila, da računalništvo še naprej raste, ne da bi bilo omejeno z razpoložljivo energijo, saj smo blizu konca dosegljivih izboljšav v tradicionalni elektroniki na osnovi silicija (pojav, znan kot konec Moorega zakona).
“Topološka elektronika z zelo nizko porabo energije je možen odgovor na vse večji izziv energije, ki jo zapravljamo v sodobnem računalništvu,” pojasnjuje avtor študije profesor Michael Fuhrer. “Informacijska in komunikacijska tehnologija (IKT) že porabi 8% svetovne električne energije in to se vsako desetletje podvoji.”
Ta nova študija je pomemben napredek v smeri tega cilja delujočega topološkega tranzistorja.
Kako delujejo: topološki materiali in tranzistorji
Topološki izolatorji so novi materiali, ki se v svoji notranjosti obnašajo kot električni izolatorji, vendar lahko nosijo tok po svojih robovih.
“Na teh robnih poteh lahko elektroni potujejo le v eni smeri,” pojasnjuje glavni avtor dr. Mark Edmonds. “In to pomeni, da ne more biti “povratnega sipanja”, kar povzroča električno upornost v običajnih električnih vodnikih.” Za razliko od običajnih električnih vodnikov, lahko takšne topološke robne poti nosijo električni tok z skoraj ničelno disipacijo energije, kar pomeni, da topološki tranzistorji lahko porabijo manj energije kot konvencionalna elektronika. Lahko bi tudi hitreje preklopili.
Topološki materiali bi tvorili tranzistorjevo aktivno, “kanalsko” komponento, s čimer bi dosegli binarno operacijo, ki se uporablja pri računanju, preklapljanje med odprtim (0) in zaprtim (1). “To novo stikalo deluje na bistveno drugačnem principu kot tranzistorji v današnjih računalnikih,” pojasnjuje dr. Edmonds. “Za takšna stikala predvidevamo, da omogočajo popolnoma novo računalniško tehnologijo, ki uporablja nižjo energijo.” Električno polje inducira kvantni prehod iz ‘topološkega’ izolatorja v konvencionalni izolator.
Topološki tranzistorji morajo biti izvedljiva alternativa trenutni tehnologiji, ki temelji na siliciju (CMOS):
- delujejo pri sobni temperaturi (brez potrebe po dragem superhlajenju),
- morajo “preklopiti” med prevajanjem (1) in neprevajanjem (0) in
- morajo omogočiti zelo hitro preklop z uporabo električnega polja. “
Medtem ko so bili v teoriji predlagani preklopni topološki izolatorji, je to prvič, da je eksperiment dokazal, da material lahko preklopi pri sobni temperaturi, kar je ključnega pomena za katero koli nadomestno tehnologijo. V tej študiji so bili eksperimenti opravljeni pri kriogenih temperaturah, vendar velika izmerjena vrzel potrjuje, da bo material pri sobni temperaturi pravilno preklopil.
Poraba energije IKT, konec Moorovega zakona in rešitve »po CMOS« Najpomembnejši izziv za delo je naraščajoča količina energije, ki se uporablja v informacijski in komunikacijski tehnologiji (IKT), od katere velik del povzroča preklapljanje.
Vsakič, ko tranzistor preklopi, se porabi majhna količina energije in s trilijoni tranzistorjev, ki preklapljajo milijarde krat na sekundo, se ta energija poveča.
Že vrsto let so energetske potrebe eksponentno naraščajočega števila računskih operacij postajale vedno bolj učinkovite z vedno bolj kompaktnimi mikročipi CMOS (na osnovi silicija) – to je učinek, povezan z znanim ‘Moorovim zakonom’. Toda s približevanjem temeljnih mej fizike se Moorov zakon konča in v prihodnosti bo mogoče najti le omejeno učinkovitost.
“Revolucija informacijske tehnologije je izboljšala naša življenja in želimo, da se nadaljuje,” pravi prof. Michael Fuhrer. “Da bi računanje še naprej raslo, da bi sledili spreminjajočim se zahtevam, potrebujemo bolj učinkovito elektroniko.” “Potrebujemo nov tip tranzistorja, ki porabi manj energije, ko preklopi.” “To odkritje je korak v smeri topoloških tranzistorjev, ki lahko spremenijo svet računanja.”
Avtor fotografij: FLEET, http://www.fleet.org.au/blog/topological-material-switched-off-and-on-for-the-first-time-key-advance-for-future-topological-transistors/
Povzeto po: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181210142050.htm
