Die Elektronik-Revolution beginnt: Sie könnte tausendmal schneller werden

Forschern ist es gelungen, die elektrische Leitfähigkeit eines Quantenmaterials namens 1T-TaS₂ durch Erhitzen und Abkühlen zu steuern, wie aus einer am 27. Juni in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Studie hervorgeht. Dieses Material könnte herkömmliche Siliziumkomponenten ersetzen und so einen deutlich schnelleren und effizienteren Betrieb elektronischer Geräte ermöglichen.

ES KANN DIE ISOLIERENDEN EIGENSCHAFTEN DES LEITERS VERÄNDERN

Das Forschungsteam zeigte, dass das 1T-TaS₂-Material seine elektrische Leitfähigkeit oder seine Isoliereigenschaften je nach Temperaturänderung verändern kann.

Diese Entdeckung wird als revolutionärer Schritt für elektronische Geräte angesehen, da mit solchen Materialien viel schnellere und kompaktere Versionen bestehender Siliziumkomponenten möglich wären.

„Dieses Material könnte die Menge an Informationen, die es pro Sekunde verarbeiten kann, um den Faktor 1.000 erhöhen. Derzeit arbeiten Prozessoren mit Gigahertz-Geschwindigkeiten, und diese Technologie wird es uns ermöglichen, Terahertz-Geschwindigkeiten zu erreichen“, sagte Alberto de la Torre, ein Materialphysiker an der Northeastern University, der die Forschung leitete.

METHODENNAME: THERMISCHE KÜHLUNG

Die neue Methode heißt „thermische Kühlung“. Bei dieser Technik wird ein Material Licht ausgesetzt, wodurch seine Temperatur steigt und das Material eine metallische Leitfähigkeit erhält.

Bisher wurde diese Eigenschaft nur bei sehr niedrigen Temperaturen und für sehr kurze Zeiträume erreicht. Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass 1T-TaS₂ diese Eigenschaften bei Temperaturen von bis zu -73 Grad Celsius beibehalten kann – 250 Grad Celsius mehr als in früheren Experimenten. Darüber hinaus bleibt dieser leitfähige Zustand auch Monate nach dem Abschalten der Lichtquelle und sinkender Temperatur des Materials erhalten.

Diese Entwicklung ähnelt dem Funktionsprinzip von Transistoren, Halbleiterbauelementen, die in den meisten heutigen elektronischen Geräten den Stromfluss steuern.

Einer der Hauptgründe für den Niedergang moderner Computer – von Maschinen, die einst einen ganzen Raum einnahmen, zu Maschinen, die so klein sind, dass sie in unsere Hosentaschen passen – war die fortschreitende Miniaturisierung der Transistoren.

Mit Quantenmaterialien wird dieses Prinzip nun noch weiter ausgebaut, mit dem Ziel, elektronische Geräte schneller und kleiner zu machen.

Der theoretische Physiker Gregory Fiete von der Northeastern University erläuterte die Bedeutung dieser Entwicklung: „Unser Ziel ist es, ein Höchstmaß an Kontrolle über die Materialeigenschaften zu erreichen. Diese Art von Materialien kann sehr schnell und mit sehr präzisen Ergebnissen verarbeitet werden. Dies macht sie für den Einsatz in Geräten geeignet.“

SEHR KLEIN SEHR EFFIZIENT

Fiete wies darauf hin, dass Quantenmaterialien die physikalischen Grenzen traditioneller Siliziumtechnologien überwinden könnten. Siliziumhalbleiter enthalten sehr dicht gepackte Logikbausteine, was zu physikalischen Einschränkungen führt. Quantenmaterialien hingegen vereinen beide Eigenschaften – den Übergang vom Leiter zum Isolator – in einem einzigen Material und bieten so eine deutlich kleinere und effizientere Lösung.

Die thermische Kühltechnik hat das Potenzial, die Computergeschwindigkeit zu erhöhen, da sie die Leitfähigkeit mithilfe von Licht steuert. „Das ist ein häufiges Problem vieler Computernutzer: Wir wollen, dass etwas schneller lädt“, sagte Fiete. „Nichts ist schneller als Licht, und wir steuern Materialeigenschaften mit Licht – mit der höchsten physikalisch möglichen Geschwindigkeit.“

Diese neue Erfindung könnte einen revolutionären Schritt für die Zukunft der Elektronik bedeuten. Ingenieure haben nun sofortige Kontrolle über Materialeigenschaften. „Um die Informationsspeicherung oder die Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich zu verbessern“, sagte Fiete, „brauchen wir ein neues Paradigma. Diese Studie demonstriert genau diese Innovation.“