Elektronikos revoliucija: kvantiniai medžiagos ir jų ateitis

Elektronikos ateitį keičiančios kvantinės medžiagos

Naujausi kvantinių medžiagų tyrimų pasiekimai gali iš esmės pakeisti vartotojų elektronikos pasaulį. JAV mokslininkų komanda iš prestižiškiausių tyrimų institutų pristatė naują metodą, leidžiantį valdyti elektronines 1T-TaS₂ (tantalo disulfido) būsenas. Šis proveržis gali ateityje iki 1000 kartų paspartinti išmaniuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius bei kitus skaitmeninius įrenginius, lyginant su šiuo metu greičiausiomis technologijomis.

Kvantinės medžiagos – tai ypatingos medžiagos, kurių savybės priklauso ne nuo klasikinės, o nuo kvantinės fizikos dėsnių. Dėl jų unikalių elektroninių fazių – gebėjimo funkcionuoti tiek kaip metalams, tiek kaip izoliatoriams – atsiveria galimybės kurti itin greitus ir energiją taupančius elektronikos komponentus.

Proveržio mokslo pagrindai

Pagrindinė šio atradimo dalis – procesas, vadinamas „terminiu grūdinimu“, kai 1T-TaS₂ temperatūra žaibiškai keičiama. Tuomet ši sluoksniuota kristalinė medžiaga geba akimirksniu persijungti tarp dviejų priešingų elektroninių būsenų: laidžios (metalinės) ir izoliuojančios. Tokie dvejetainiai perjungimai sudaro kompiuterinių lustų tranzistorių pagrindą, leidžiantį valdyti elektros srautą, vykdyti komandas ir saugoti informaciją.

Įprastai kvantinėms medžiagoms fazė keisti būdavo įmanoma tik esant itin žemai, kriogeninei temperatūrai, todėl jos nebuvo pritaikomos masinėje elektronikoje. Naujausiuose tyrimuose, tačiau, fazių perjungimas buvo pasiektas žymiai realesnėmis temperatūromis – ir, svarbiausia, stabilios būsenos išlaikomos mėnesius, o ne kelias sekundes.

Kaip teigia fizikas Gregory Fiete iš Šiaurės rytų universiteto: „Išnaudojame sparčiausią gamtos reiškinį – šviesą – medžiagos savybėms valdyti beveik maksimaliu greičiu.“ Preciziškai parinktas temperatūrų keitimo tempas užtikrino, kad medžiaga nepraranda kvantinių savybių ir fazių keitimas įvyksta stabiliai bei itin greitai.

Kvantinių medžiagų poveikis ateities elektronikai

Visiems skaitmeniniams įrenginiams reikalingos laidžios ir izoliuojančios medžiagos, kurios dažnai sujungiamos sudėtingomis architektūromis. Galimybė tą pačią kvantinę medžiagą valdyti šviesa ir panaudoti abiem funkcijoms žymiai sumažintų įrenginių dydį, sumažintų energijos sąnaudas ir, svarbiausia, smarkiai padidintų informacijos apdorojimo greitį.

Fiete pažymi: „Vienas iš didžiausių iššūkių medžiagų moksle – greito ir tikslaus medžiagos savybių valdymo pasiekimas. Tai ir yra būtina, kad technologija būtų pritaikoma prietaisuose.“

Nors kol kas šios technologijos taikymas apsiriboja laboratorijomis, jų potencialas būsimai vartotojų elektronikai – milžiniškas. Kadangi tradiciniai silicio puslaidininkiai artėja prie savo fizinių ribų, tiek mokslininkai, tiek gamintojai ieško naujų medžiagų, kurios leistų tęsti eksponentinį kompiuterių spartėjimą, numatytą Mūro dėsnyje.

Silicio ribos ir kvantinių medžiagų perspektyva

Jau kelis dešimtmečius silicio lustai yra skaitmeninės revoliucijos centre, tačiau jų mažinimo ir spartinimo galimybės pasiekia technologines ribas. Tokie proveržiai kaip 1T-TaS₂ atradimas gali tapti naujų elektronikos principų pradžia, papildančia kvantinio kompiuterio ir duomenų kaupimo technologijų pažangą.

Kaip sako Fiete, „Norint fundamentaliai pagerinti informacijos apdorojimą ir saugojimą, reikia ieškoti naujų kelių – per kvantinius kompiuterius arba tobulinant pačias kvantines medžiagas. Mūsų darbas parodo, kad medžiagų mokslas gali atverti naują efektyvios, itin greitos elektronikos erą.“

Nors iki kvantinių medžiagų pasirodymo kasdieniuose įrenginiuose dar reikia laiko ir inžinerinių sprendimų, šios inovacijos jau dabar žymi reikšmingą žingsnį naujos technologinės bangos link.

Išvados

Kvantinių medžiagų, tokių kaip 1T-TaS₂, panaudojimas šviesos valdomam ir itin greitam fazių perjungimui gali atverti visiškai naują kompiuterinės įrangos kartą. Įveikus silicio ribas ir stabilizuojant kvantines būsenas prie realiai pritaikomų temperatūrų, mokslininkai kuria pamatus įrenginiams, kurie bus ne tik spartesni, bet ir išmanesni bei taupesni. Kiekvienas naujas žingsnis šioje srityje dar labiau priartina tūkstančius kartų spartesnių išmaniųjų telefonų ar kitų pažangių elektronikos prietaisų atsiradimą mūsų kasdienybėje.