De elektronica-revolutie begint: het kan duizend keer sneller worden

Onderzoekers zijn erin geslaagd de elektrische geleidbaarheid van een kwantummateriaal genaamd 1T-TaS₂ te regelen door het te verwarmen en af ​​te koelen, volgens een studie die op 27 juni in het tijdschrift Nature Physics is gepubliceerd. Dit materiaal zou traditionele siliciumcomponenten kunnen vervangen, waardoor elektronica veel sneller en efficiënter kan werken.

HET KAN DE ISOLERENDE EIGENSCHAPPEN VAN DE GELEIDER VERANDEREN

Het onderzoeksteam heeft aangetoond dat het 1T-TaS₂-materiaal zijn elektrische geleidbaarheid of isolerende eigenschappen kan veranderen afhankelijk van temperatuurveranderingen.

Deze ontdekking wordt gezien als een revolutionaire stap voor elektronische apparaten, omdat dergelijke materialen veel snellere en compactere versies van bestaande siliciumcomponenten kunnen opleveren.

"Dit materiaal zou de hoeveelheid informatie die het per seconde kan verwerken met een factor 1000 kunnen verhogen. Momenteel werken processoren op gigahertz-snelheden, en deze technologie stelt ons in staat om terahertz-snelheden te bereiken", aldus Alberto de la Torre, materiaalkundige aan de Northeastern University die het onderzoek leidde.

METHODE NAAM: THERMISCHE KOELING

De nieuwe methode staat bekend als 'thermische koeling'. Bij deze techniek wordt een materiaal blootgesteld aan licht, waardoor de temperatuur stijgt en het materiaal een metaalachtige geleidbaarheid krijgt.

Tot nu toe was deze eigenschap alleen mogelijk bij zeer lage temperaturen en gedurende zeer korte perioden. Dit nieuwe onderzoek heeft echter aangetoond dat 1T-TaS₂ deze eigenschappen kan behouden bij temperaturen tot wel -73 graden Celsius, 250 graden Celsius hoger dan eerdere experimenten. Bovendien kan deze geleidende toestand maandenlang behouden blijven nadat de lichtbron van het materiaal is uitgeschakeld en de temperatuur is gedaald.

Deze ontwikkeling is vergelijkbaar met het werkingsprincipe van transistors, halfgeleidercomponenten die in de meeste moderne elektronica de elektriciteitsstroom regelen.

Een van de belangrijkste factoren achter de teloorgang van de moderne computer: van apparaten die eerst een kamer vol ruimte in beslag namen tot apparaten die zo klein zijn dat ze in onze zak passen, is de voortdurende miniaturisering van transistors.

Dankzij kwantummaterialen wordt dit principe nu nog verder doorontwikkeld, met als doel elektronische apparaten sneller en kleiner te maken.

Theoretisch natuurkundige Gregory Fiete van Northeastern University legde het belang van deze ontwikkeling uit: "Ons doel is om de hoogste mate van controle over materiaaleigenschappen te bereiken. Dit soort materialen kan zeer snel en met zeer nauwkeurige resultaten worden verwerkt. Dit maakt ze geschikt voor gebruik in apparaten."

ZEER KLEIN ZEER EFFICIËNT

Fiete merkte op dat kwantummaterialen de fysieke beperkingen van traditionele siliciumtechnologieën zouden kunnen overwinnen. Siliciumhalfgeleiders bevatten zeer dicht opeengepakte logische componenten, wat fysieke beperkingen met zich meebrengt. Kwantummaterialen combineren echter beide eigenschappen – de overgang van geleider naar isolator – in één materiaal, wat een veel kleinere en efficiëntere oplossing biedt.

De thermische koeltechniek heeft de potentie om computersnelheden te verhogen, omdat het de geleiding regelt met behulp van licht. "Het is een veelvoorkomend probleem voor veel computergebruikers: we willen dat iets sneller oplaadt," zei Fiete. "Er is niets sneller dan licht, en we regelen materiaaleigenschappen met licht, met de hoogste snelheid die de natuurkunde toestaat."

Deze nieuwe uitvinding zou een revolutionaire stap kunnen zijn voor de toekomst van de elektronica. Ingenieurs hebben nu direct controle over materiaaleigenschappen. "Als we ongelooflijke verbeteringen willen bereiken in informatieopslag of verwerkingssnelheden," aldus Fiete, "is een nieuw paradigma nodig. Deze studie demonstreert precies die innovatie."