science >> Wetenschap >  >> Fysica

Over de kloof springen kan elektronica sneller maken

Een gedeelte van een printplaat met microschakelingen. Krediet:antoinebercovici

Een quasi-deeltje dat zich voortbeweegt langs het grensvlak van een metaal en diëlektrisch materiaal kan de oplossing zijn voor problemen die worden veroorzaakt door krimpende elektronische componenten, volgens een internationaal team van ingenieurs.

"Micro-elektronische chips zijn tegenwoordig alomtegenwoordig, " zei Achlesh Lakhtakia, Evan Pugh University Professor en Charles Godfrey Binder Professor in Engineering Science and Mechanics, Penn State. "Vertragingstijd voor signaalvoortplanting in metaaldraadverbindingen, elektrisch verlies in metalen leidend tot temperatuurstijging, en overspraak tussen aangrenzende interconnecties die voortkomen uit miniaturisatie en verdichting, beperkt de snelheid van deze chips."

Deze elektronische componenten zitten in onze smartphones, tabletten, computers en beveiligingssystemen en ze worden gebruikt in ziekenhuisapparatuur, defensie-installaties en onze transportinfrastructuur.

Onderzoekers hebben verschillende manieren onderzocht om het probleem van het verbinden van verschillende geminiaturiseerde componenten in een wereld van steeds kleiner wordende circuits op te lossen. Terwijl fotonica, het gebruik van licht om informatie te transporteren, is aantrekkelijk vanwege zijn snelheid, deze benadering is problematisch omdat de golfgeleiders voor licht groter zijn dan de huidige micro-elektronische circuits, wat verbindingen moeilijk maakt.

Een pulsgemoduleerde SPP-golf die naar rechts beweegt, geleid door het grensvlak van een diëlektrisch materiaal (boven) en een metaal (onder), plotseling de vervanging van het diëlektrische materiaal door lucht tegenkomt. Het grootste deel van de energie wordt overgedragen naar de lucht/metaalinterface, maar een deel wordt gereflecteerd naar de diëlektrische/metaalinterface. De video beslaat 120 femtoseconden.

De onderzoekers rapporteren in een recent nummer van Wetenschappelijke rapporten dat "het signaal lange afstanden kan afleggen zonder significant verlies van betrouwbaarheid, " en dat "signalen mogelijk kunnen worden overgedragen door SPP-golven over enkele tientallen micrometers (lucht) in micro-elektronische chips."

Ze merken ook op dat berekeningen aangeven dat SPP-golven informatie kunnen overbrengen rond een concave hoek - een situatie, samen met luchtgaten, dat is gebruikelijk in microschakelingen.

Een pulsgemoduleerde SPP-golf die naar rechts beweegt, geleid door het grensvlak van een diëlektrisch materiaal (boven) en een metaal (onder), plotseling de vervanging van het diëlektrische materiaal door lucht tegenkomt. Het grootste deel van de energie wordt overgedragen naar de lucht/metaalinterface, maar een deel wordt gereflecteerd naar de diëlektrische/metaalinterface. De video beslaat 120 femtoseconden. Krediet:Achlesh Lakhtakia, Penn State

SPP's zijn een groepsfenomeen. Deze quasi-deeltjes reizen langs het grensvlak van een geleidend metaal en een diëlektricum - een niet-geleidend materiaal dat een elektromagnetisch veld kan ondersteunen - en op macroscopisch niveau, verschijnen als een golf.

Volgens Lakhtakia, SPP's geven goud zijn bijzondere glanzende glans. Een oppervlakte-effect, onder bepaalde omstandigheden kunnen elektronen in het metaal en gepolariseerde ladingen in het diëlektrische materiaal samenwerken en een SPP-golf vormen. Deze golf, geleid door het grensvlak van de twee materialen kan zich blijven voortplanten, zelfs als de metaaldraad een breuk heeft of het metalen diëlektrische grensvlak abrupt eindigt. De SPP-golf kan enkele 10s micrometers in de lucht reizen of het equivalent van 600 transistors die van begin tot eind in een 14 nanometer-technologiechips zijn gelegd.

SPP-golven reizen ook alleen in de buurt van de interface, zodat ze geen overspraak produceren.

Het probleem met het gebruik van SPP-golven bij het ontwerpen van circuits is dat terwijl onderzoekers experimenteel weten dat ze bestaan, de theoretische onderbouwing van het fenomeen waren minder gedefinieerd. De Maxwell-vergelijkingen die SPP-golven beheersen, bestrijken een continuüm van frequenties en zijn gecompliceerd.

"In plaats van de Maxwell-vergelijkingen frequentie voor frequentie op te lossen, wat onpraktisch is en vatbaar is voor slopende rekenfouten, we hebben meerdere snapshots gemaakt van de elektromagnetische velden, ' zei Lakhtakia.

Deze momentopnames, aan elkaar geregen, uitgegroeid tot een film die de voortplanting van de pulsgemoduleerde SPP-golf laat zien.

"We bestuderen moeilijke problemen, " zei Lakhtakia. "We bestuderen problemen die 10 jaar geleden onoplosbaar waren. Verbeterde computationele componenten veranderden onze manier van denken over deze problemen, maar we hebben nog meer geheugen nodig."