Волитроника «продлит» действие закона Мура
Последние десять лет ученые всего мира ищут замену традиционной электронике, основанной на использовании заряда электрона, стремясь снизить энергопотребление и тепловыделение электронных устройств и повысить их быстродействие. По мнению ученых из Университета штата Нью-Йорк в Буффало, перспективным направлением для исследований в этой сфере может стать волитроника.
/ Flickr / Paul Hudson / CC
Некоторые полупроводники имеют несколько минимумов разрешенной энергии электронов проводимости, которые физики называют долинами. Наличие таких долин позволяет кодировать информацию, помещая электрон в одну из них. По отдельности две долины соответствуют одному биту информации.
А вот две долины, в которых спины электронов могут принимать разное значение, представляют собой двухбитовую конструкцию, кодирующую уже четыре значения. Волитроника обещает увеличение быстродействия, высокую помехоустойчивость и меньшую потребляемую мощность. Однако созданию подобных устройств на практике препятствует сложность управления электронами при помещении их в долины.
Проблема заключается в том, что уровни энергии в таких полупроводниках одинаковы. Существуют методы разделения уровней с помощью сильного внешнего магнитного поля за счет эффекта Зеемана, однако формируемую разницу чрезвычайно сложно различить. Но команда ученых из Университета штата Нью-Йорк в Буффало под руководством профессора Хао Женга (Hao Zeng) разработала новый способ разделения энергетических уровней между долинами в двумерном полупроводнике.
Для того чтобы увеличить разницу между энергетическими уровнями ученые разработали новый способ разделения уровней. Они создали гетероструктуру с 10-нанометровой подложкой из ферромагнитного сульфида европия (EuS) и монослоем диселенида вольфрама (WSe2). Поскольку подложка создает постоянное магнитное поле, энергетические уровни диселенида вольфрама оказываются разделены. Меняя намагниченность подложки можно управлять энергетическими уровнями в WSe2, а также поляризацией спина электронов.
Схематичное изображение монослоя диселенида вольфрама на ферромагнитной подложке
Ученые провели измерения энергетических уровней с помощью отражения света от материала. По изменению энергии отраженных фотонов измерялась разница между энергетическими уровнями. Ученые отметили, что новый метод позволил увеличить разницу между энергетическими уровнями в 10 раз по сравнению с предыдущими решениями. Более того, поскольку после намагничивания разница в энергии долин остается на прежнем уровне, ученые предполагают, что в будущем разработка будет использоваться для создания энергонезависимой памяти.
Отметим, что сам эксперимент проводился при температуре 7 К, поэтому о коммерческой реализации технологии говорить пока не приходится. Однако это первый шаг. Есть причина, по которой ученые настроены оптимистично. Закон Мура, который гласит о том, что количество транзисторов в интегральных схемах удваивается каждые два года, достиг своего фундаментального предела. Это связано с тем, что работа современных компьютерных чипов основывается на переносе электрических токов, генерирующих большие объемы тепла при росте мощности, и поэтому невозможно бесконечно уменьшать размер транзисторов.
«Наша работа подводит волитронику на шаг ближе к преодолению этого препятствия», — заключает Женг.
P.S. Еще несколько материалов из нашего блога:
/ Flickr / Paul Hudson / CCНекоторые полупроводники имеют несколько минимумов разрешенной энергии электронов проводимости, которые физики называют долинами. Наличие таких долин позволяет кодировать информацию, помещая электрон в одну из них. По отдельности две долины соответствуют одному биту информации.
А вот две долины, в которых спины электронов могут принимать разное значение, представляют собой двухбитовую конструкцию, кодирующую уже четыре значения. Волитроника обещает увеличение быстродействия, высокую помехоустойчивость и меньшую потребляемую мощность. Однако созданию подобных устройств на практике препятствует сложность управления электронами при помещении их в долины.
Проблема заключается в том, что уровни энергии в таких полупроводниках одинаковы. Существуют методы разделения уровней с помощью сильного внешнего магнитного поля за счет эффекта Зеемана, однако формируемую разницу чрезвычайно сложно различить. Но команда ученых из Университета штата Нью-Йорк в Буффало под руководством профессора Хао Женга (Hao Zeng) разработала новый способ разделения энергетических уровней между долинами в двумерном полупроводнике.
Для того чтобы увеличить разницу между энергетическими уровнями ученые разработали новый способ разделения уровней. Они создали гетероструктуру с 10-нанометровой подложкой из ферромагнитного сульфида европия (EuS) и монослоем диселенида вольфрама (WSe2). Поскольку подложка создает постоянное магнитное поле, энергетические уровни диселенида вольфрама оказываются разделены. Меняя намагниченность подложки можно управлять энергетическими уровнями в WSe2, а также поляризацией спина электронов.
Схематичное изображение монослоя диселенида вольфрама на ферромагнитной подложке
Ученые провели измерения энергетических уровней с помощью отражения света от материала. По изменению энергии отраженных фотонов измерялась разница между энергетическими уровнями. Ученые отметили, что новый метод позволил увеличить разницу между энергетическими уровнями в 10 раз по сравнению с предыдущими решениями. Более того, поскольку после намагничивания разница в энергии долин остается на прежнем уровне, ученые предполагают, что в будущем разработка будет использоваться для создания энергонезависимой памяти.
Отметим, что сам эксперимент проводился при температуре 7 К, поэтому о коммерческой реализации технологии говорить пока не приходится. Однако это первый шаг. Есть причина, по которой ученые настроены оптимистично. Закон Мура, который гласит о том, что количество транзисторов в интегральных схемах удваивается каждые два года, достиг своего фундаментального предела. Это связано с тем, что работа современных компьютерных чипов основывается на переносе электрических токов, генерирующих большие объемы тепла при росте мощности, и поэтому невозможно бесконечно уменьшать размер транзисторов.
«Наша работа подводит волитронику на шаг ближе к преодолению этого препятствия», — заключает Женг.
P.S. Еще несколько материалов из нашего блога:
- Backup&Recovery: поточная и умная дедупликация, снапшоты и вторичное хранение
- Технологии охлаждения дата-центров
- «Будущее телетрансляций»: Облачное телевидение и не только
- Как обезопасить Linux-систему: 10 советов
- Немного о VPN: Краткий обзор программных реализаций
- Подборка материалов об облаках, дата-центрах и разработке сервисов
Поделиться с друзьями
REPISOT
Не вижу связи.
1. Чем меньше размер, тем меньше потребление. Хотя бы потому, что уменьшается паразитная емкость, на перезарядку которой и уходит почти вся энергия.
2. На структуры с «наноразмерами» действуют квантовые эффекты. Например — туннелирование электронов сквозь подложку.
И все равно не сказано, почему, даже если нельзя уменьшить размер, нельзя увеличить число транзисторов?