La nuova ricerca FLEET conferma il potenziale dei materiali topologici di ridurre sostanzialmente l'energia consumata dai computer.

La collaborazione dei ricercatori FLEET dell'Università di Wollongong, La Monash University e l'UNSW hanno dimostrato in uno studio teorico che l'utilizzo di isolanti topologici anziché semiconduttori convenzionali per realizzare transistor potrebbe ridurre della metà la tensione di gate, e l'energia utilizzata da ciascun transistor di un fattore quattro.

Per realizzare questo, hanno dovuto trovare un modo per superare la famosa "tirannia di Boltzmann" che pone un limite inferiore all'energia di commutazione dei transistor.

Hanno trovato un risultato sorprendente:la tensione di gate applicata a un isolante topologico potrebbe creare una barriera al flusso di elettroni più grande della tensione stessa moltiplicata per la carica degli elettroni, un risultato prima ritenuto impossibile.

La missione dell'ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) è ridurre il carico energetico insostenibile delle tecnologie informatiche e informatiche (ICT), ora consuma circa il 10% dell'elettricità globale.

Transistor:non sono solo nella radio del capannone del nonno

I chip dei computer contengono miliardi di transistor, minuscoli interruttori elettrici che eseguono le operazioni di commutazione di base dell'informatica.

I singoli transistor oggi hanno un diametro di soli 5 nanometri (5 milionesimi di millimetro).

I transistor utilizzano una tensione applicata a un elettrodo "gate" per accendere e spegnere la corrente che scorre tra gli elettrodi "source" e "drain". L'energia utilizzata per caricare l'elettrodo di gate viene buttata via ogni volta che ogni transistor si accende e si spegne. Un tipico computer ha letteralmente miliardi di transistor che si accendono e si spengono miliardi di volte al secondo, aggiungendo un sacco di energia.

I transistor convenzionali sono costituiti da semiconduttori, materiali che possiedono un 'bandgap' o una gamma di energie all'interno della quale gli elettroni sono vietati. L'azione della tensione applicata al gate è quella di spostare questa gamma di energie proibite per consentire (lo stato "on") o bloccare (lo stato "off") le energie alle quali gli elettroni in ingresso si spostano dalla sorgente al drenaggio.

In un transistor ideale, 1 volt applicato al gate aumenterebbe la gamma di energie bloccate da 1 elettronvolt.

La "tirannia" delle perdite pone un limite inferiore alla commutazione di energia

Quanto è grande una barriera per il corretto funzionamento del transistor?

Il problema è che le energie degli elettroni provenienti dalla sorgente sono intrinsecamente "spalmate" a temperatura finita, quindi ci sono sempre pochi elettroni con energia sufficientemente alta da superare la barriera. Questa corrente di "dispersione" porta a uno spreco di energia.

Considerazioni termodinamiche di base richiedono che per ridurre la corrente di un fattore 10 sia necessario innalzare la barriera di circa 60 millielettronvolt a temperatura ambiente. Ma per evitare sprechi di energia tramite corrente di dispersione è necessario ridurre la corrente di un fattore di circa 100, 000, o una barriera di circa 300 milli-elettronvolt, che richiede una tensione di gate di almeno 300 millivolt.

Questa tensione di gate minima pone un limite inferiore all'energia di commutazione.

Questa è chiamata "tirannia di Boltzmann" da Ludwig Boltzmann che descrisse l'uniformità delle energie delle particelle dovute alla temperatura.

Si pensa che la tirannia di Boltzmann limiti quanto piccola può essere la tensione del gate operativo per un transistor, non importa di che materiale sia fatto.

Superare il limite di Boltzmann con nuovi materiali

I ricercatori di FLEET erano curiosi di sapere se un effetto diverso potesse essere utilizzato per creare una barriera per il flusso di elettroni in un transistor.

In alcuni materiali, un campo elettrico può modificare la dimensione del bandgap. Si sono chiesti se il campo elettrico dovuto alla tensione applicata a un elettrodo di gate potesse essere utilizzato per espandere il bandgap e creare una barriera agli elettroni. La risposta è si, ma per i materiali tipici questo effetto non batte la tirannia di Boltzmann:1 volt applicato al cancello può comunque creare solo una barriera non più grande di 1 elettronvolt.

I ricercatori hanno deciso di esaminare una classe speciale di materiali chiamati isolanti topologici, che hanno un bandgap effettivamente negativo.

"I sottili isolanti topologici (bidimensionali) sono isolanti al loro interno, ma conduci lungo i loro bordi, " spiega l'autore principale Muhammad Nadeem (Università di Wollongong). "In questo stato possono funzionare come lo stato 'on' di un transistor, con la corrente trasportata dai bordi conduttori."

"La banda proibita di un isolante topologico può essere modificata anche da un campo elettrico, " dice Nadeem. "Quando diventa positivo, il materiale non è più un isolante topologico, e non ha più bordi conduttori, comportandosi in modo molto simile a un normale semiconduttore, con il bandgap che agisce come una barriera al flusso di elettroni (lo stato 'off')."

Però, il gruppo di ricerca ha scoperto che, a differenza di un normale semiconduttore, l'aumento del bandgap (in elettronvolt) nell'isolatore topologico potrebbe essere maggiore della tensione applicata al gate (in volt), sconfiggere la tirannia di Boltzmann.

"I materiali topologici giusti potrebbero commutare a tensioni dimezzate rispetto a un transistor convenzionale simile, che richiederebbe solo un quarto dell'energia, " afferma il co-investigatore Dimi Culcer (UNSW).

Dove andare da qui?

Rimangono molte sfide. Lo studio è per il momento solo teorico. Il co-investigatore Xiaolin Wang (UOW) afferma che "alcuni dei materiali candidati come il bismutene, un singolo atomo spesso strato di bismuto disposto in una struttura a nido d'ape, hanno appena iniziato ad essere studiati in laboratorio, e non sono ancora stati trasformati in transistor."

Altri materiali sono ancora allo studio e non si sa ancora come sintetizzarli. "Però, " dice il co-investigatore Michael Fuhrer (Monash), "i ricercatori di FLEET stanno lavorando duramente per realizzare questi nuovi materiali, caratterizzarli, e incorporarli in dispositivi elettronici."