Nieuw FLEET-onderzoek bevestigt het potentieel van topologische materialen om het energieverbruik van computers aanzienlijk te verminderen.

De samenwerking van FLEET-onderzoekers van de Universiteit van Wollongong, Monash University en UNSW hebben in een theoretische studie aangetoond dat het gebruik van topologische isolatoren in plaats van conventionele halfgeleiders om transistors te maken de poortspanning met de helft kan verminderen, en de energie die door elke transistor wordt gebruikt met een factor vier.

Om dit te bereiken, ze moesten een manier vinden om de beroemde 'Boltzmann's tirannie' te overwinnen die een ondergrens stelt aan de schakelenergie van transistoren.

Ze vonden een verrassend resultaat:poortspanning toegepast op een topologische isolator kan een barrière vormen voor de elektronenstroom die groter is dan de spanning zelf maal de elektronenlading, een resultaat dat eerder voor onmogelijk werd gehouden.

De missie van het ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) is het verminderen van de niet-duurzame energiebelasting van informatie- en computertechnologie (ICT), verbruiken nu ongeveer 10% van de wereldwijde elektriciteit.

Transistors:ze zitten niet alleen in opa's schuurradio

Computerchips bevatten miljarden transistors - kleine elektrische schakelaars die de basisschakelhandelingen van computers uitvoeren.

Individuele transistors zijn tegenwoordig zo klein als 5 nanometer (5 miljoenste van een millimeter).

Transistors gebruiken een spanning die wordt aangelegd op een 'gate'-elektrode om de stroom tussen 'source' en 'drain'-elektroden in en uit te schakelen. De energie die wordt gebruikt om de poortelektrode op te laden, wordt weggegooid telkens wanneer elke transistor wordt in- en uitgeschakeld. Een typische computer heeft letterlijk miljarden transistors die miljarden keren per seconde aan en uit gaan, levert veel energie op.

Conventionele transistors zijn gemaakt van halfgeleiders, materialen met een 'bandgap' of een reeks energieën waarbinnen elektronen verboden zijn. De actie van de spanning die op de poort wordt toegepast, is om dit bereik van verboden energieën te verplaatsen om de energieën toe te staan ​​(de 'aan'-toestand) of te blokkeren (de 'uit'-toestand) waarbij binnenkomende elektronen van bron naar afvoer gaan.

In een ideale transistor, 1 volt toegepast op de poort zou het bereik van energieën verhogen die worden geblokkeerd door 1 elektronvolt.

Lekkage 'tirannie' stelt een ondergrens aan het schakelen van energie

Hoe groot is een barrière nodig om de transistor correct te laten werken?

Het probleem is dat de energieën van de elektronen die uit de bron komen inherent 'uitgesmeerd' worden bij eindige temperatuur, er zijn dus altijd een paar elektronen met voldoende hoge energie om over de barrière te komen. Deze 'lekstroom' leidt tot verspilling van energie.

Fundamentele thermodynamische overwegingen vereisen dat om de stroom met een factor 10 te verminderen, de barrière moet worden verhoogd met ongeveer 60 milli-elektronvolt bij kamertemperatuur. Maar om verspilde energie via lekstroom te voorkomen, moet de stroom met een factor van ongeveer 100 worden verminderd, 000, of een barrière van ongeveer 300 milli-elektronenvolt, waarvoor een poortspanning van minimaal 300 millivolt nodig is.

Deze minimale poortspanning stelt een ondergrens aan de schakelenergie.

Dit wordt 'Boltzmann's tirannie' genoemd, naar Ludwig Boltzmann die het uitsmeren van de energieën van deeltjes door temperatuur beschreef.

Men denkt dat de tirannie van Boltzmann beperkt hoe klein de werkende poortspanning voor een transistor kan zijn, van welk materiaal het ook is gemaakt.

De limiet van Boltzmann overwinnen met nieuwe materialen

Onderzoekers van FLEET waren benieuwd of een ander effect kan worden gebruikt om een ​​barrière te maken voor de elektronenstroom in een transistor.

Bij sommige materialen is een elektrisch veld kan de grootte van de bandgap veranderen. Ze vroegen zich af of het elektrische veld als gevolg van spanning die op een poortelektrode wordt aangelegd, kan worden gebruikt om de bandgap te vergroten en een barrière voor elektronen te creëren. Het antwoord is ja, maar voor typische materialen is dit effect niet beter dan de tirannie van Boltzmann:1 volt op de poort kan nog steeds maar een barrière vormen die niet groter is dan 1 elektronvolt.

De onderzoekers besloten te kijken naar een speciale klasse materialen die topologische isolatoren worden genoemd, die een bandgap hebben die in feite negatief is.

"Dunne (tweedimensionale) topologische isolatoren isoleren in hun interieur, maar voeren langs hun randen, " legt hoofdauteur Muhammad Nadeem (Universiteit van Wollongong) uit. "In deze staat kunnen ze functioneren als de 'aan'-status van een transistor, met stroom gedragen door de geleidende randen."

"De bandgap van een topologische isolator kan ook worden veranderd door een elektrisch veld, " zegt Nadeem. "Als het positief wordt, het materiaal is niet langer een topologische isolator, en heeft geen geleidende randen meer, gedraagt ​​zich net als een gewone halfgeleider, waarbij de bandgap fungeert als een barrière voor de elektronenstroom (de 'uit'-toestand)."

Echter, het onderzoeksteam ontdekte dat, in tegenstelling tot een gewone halfgeleider, de toename van de bandgap (in elektronenvolt) in de topologische isolator kan groter zijn dan de spanning die op de poort wordt aangelegd (in volt), het verslaan van de tirannie van Boltzmann.

"De juiste topologische materialen kunnen schakelen bij spanningen die half zo groot zijn als een vergelijkbare conventionele transistor, waarvoor slechts een vierde van de energie nodig is, ", zegt mede-onderzoeker Dimi Culcer (UNSW).

Waarheen vanaf hier?

Er blijven veel uitdagingen. Het onderzoek is voorlopig alleen theoretisch. Mede-onderzoeker Xiaolin Wang (UOW) zegt dat "sommige van de kandidaat-materialen zoals bismutheen, een enkele atoom dikke laag bismut gerangschikt in een honingraatstructuur, zijn nog maar net begonnen om in het laboratorium te worden bestudeerd, en zijn nog niet gemaakt in transistors."

Andere materialen liggen nog op de tekentafel en het is nog niet bekend hoe ze te synthetiseren. "Echter, " zegt mede-onderzoeker Michael Fuhrer (Monash), "onderzoekers binnen FLEET werken hard om deze nieuwe materialen te maken, karakteriseer ze, en integreren ze in elektronische apparaten."