Computers en soortgelijke elektronische apparaten zijn in de afgelopen decennia sneller en kleiner geworden, omdat computerchipmakers hebben geleerd hoe ze individuele transistors kunnen verkleinen, de kleine elektrische schakelaars die digitale informatie overbrengen.

Door het streven van wetenschappers naar de kleinst mogelijke transistor konden er meer op elke chip worden gepakt. Maar die race naar de bodem is bijna voorbij:onderzoekers naderen snel het fysieke minimum voor transistorgrootte, met recente modellen tot ongeveer 10 nanometer - of slechts 30 atomen - breed.

"De verwerkingskracht van elektronische apparaten komt uit de honderden miljoenen, of miljarden, van transistors die met elkaar zijn verbonden op een enkele computerchip, " zei Dr. Kyeongjae Cho, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Texas in Dallas. "Maar we naderen snel de ondergrenzen van de schaal."

Om de zoektocht naar een snellere verwerkingssnelheid uit te breiden, de micro-elektronica-industrie is op zoek naar alternatieve technologieën. Cho's onderzoek, online gepubliceerd op 30 april in het tijdschrift Natuurcommunicatie , zou een oplossing kunnen bieden door de woordenschat van de transistor uit te breiden.

Conventionele transistors kunnen slechts twee informatiewaarden overbrengen:als schakelaar, een transistor is aan of uit, wat zich vertaalt in de 1s en 0s van binaire taal.

Een manier om de verwerkingscapaciteit te vergroten zonder meer transistors toe te voegen, zou zijn om de hoeveelheid informatie die elke transistor overbrengt te vergroten door tussenliggende toestanden te introduceren tussen de aan- en uit-toestanden van binaire apparaten. Een zogenaamde meerwaardige logische transistor op basis van dit principe zou het mogelijk maken meer bewerkingen en een grotere hoeveelheid informatie in één apparaat te verwerken.

"Het concept van meerwaardige logische transistors is niet nieuw, en er zijn veel pogingen gedaan om dergelijke apparaten te maken, ' zei Cho. 'We hebben het gedaan.'

Door middel van theorie, ontwerp en simulaties, Cho's groep aan de UT Dallas ontwikkelde de fundamentele fysica van een meerwaardige logische transistor op basis van zinkoxide. Hun medewerkers in Zuid-Korea hebben met succes de prestaties van een prototype-apparaat gefabriceerd en geëvalueerd.

Cho's apparaat is in staat tot twee elektronisch stabiele en betrouwbare tussentoestanden tussen 0 en 1, het aantal logische waarden per transistor opvoeren van twee naar drie of vier.

Cho zei dat het nieuwe onderzoek niet alleen belangrijk is omdat de technologie compatibel is met bestaande computerchipconfiguraties, maar ook omdat het een kloof zou kunnen overbruggen tussen de hedendaagse computers en kwantumcomputers, de potentiële volgende mijlpaal in rekenkracht.

Terwijl een conventionele computer de precieze waarden van 1s en 0s gebruikt om berekeningen te maken, de fundamentele logische eenheden van een kwantumcomputer zijn vloeiender, met waarden die kunnen bestaan ​​als een combinatie van enen en nullen op hetzelfde moment of ergens daartussenin. Hoewel ze nog commercieel moeten worden gerealiseerd, grootschalige kwantumcomputers zouden in staat zijn om meer informatie op te slaan en bepaalde problemen veel sneller op te lossen dan de huidige computers.

"Een apparaat met logica op meerdere niveaus zou sneller zijn dan een conventionele computer omdat het met meer dan alleen binaire logische eenheden zou werken. Met kwantumeenheden, je hebt continue waarden, ' zei Cho.

"De transistor is een zeer volwassen technologie, en kwantumcomputers zijn nog lang niet gecommercialiseerd, " vervolgde hij. "Er is een enorme kloof. Dus hoe gaan we van de ene naar de andere? We hebben een soort evolutionair pad nodig, een overbruggingstechnologie tussen binaire en oneindige vrijheidsgraden. Ons werk is nog steeds gebaseerd op bestaande apparaattechnologie, dus het is niet zo revolutionair als quantum computing, maar het evolueert in die richting."

De technologie die Cho en zijn collega's ontwikkelden, maakt gebruik van een nieuwe configuratie van twee vormen van zinkoxide gecombineerd om een ​​composiet nanolaag te vormen, die vervolgens wordt opgenomen met lagen van andere materialen in een superrooster.

De onderzoekers ontdekten dat ze de fysica konden bereiken die nodig is voor meerwaardenlogica door zinkoxidekristallen in te bedden, kwantumstippen genoemd, omgezet in amorf zinkoxide. De atomen die een amorfe vaste stof bevatten, zijn niet zo star geordend als in kristallijne vaste stoffen.

"Door dit materiaal te engineeren, we ontdekten dat we een nieuwe elektronische structuur konden creëren die dit logische gedrag op meerdere niveaus mogelijk maakte, " zei Cho, die een octrooi heeft aangevraagd. "Zinkoxide is een bekend materiaal dat de neiging heeft om zowel kristallijne vaste stoffen als amorfe vaste stoffen te vormen, dus het was een voor de hand liggende keuze om mee te beginnen, maar het is misschien niet het beste materiaal. Onze volgende stap zal kijken naar hoe universeel dit gedrag is, naast andere materialen, terwijl we proberen de technologie te optimaliseren.

"Vooruit gaan, Ik wil ook zien hoe we deze technologie kunnen koppelen aan een kwantumapparaat."