Жидкие транзисторы

Когда к жидкости прилагалось напряжение, и она помещалась на оксид металла, материал менял свое состояние с проводящего на изолирующее и наоборот

Транзисторы будут изготавливаться из так называемых «сильно коррелированных электронных оксидов», обладающих свойствами, которые позволяют выстраивать схемы с еще более высокой вычислительной мощностью и меньшим энергопотреблением.

«После 50 лет успешного применения кремниевых транзисторов возможности дальнейшего уменьшения их размеров фактически исчерпаны, – подчеркнул Стюарт Паркин, научный сотрудник подразделения IBM Research, возглавляющий проект. – Нам нужны альтернативные устройства и материалы, которые работали бы совсем по-другому. Альтернатив кремнию не так уж много. И одной из них являются коррелированные электронные оксиды».

Команда Паркина первой с помощью ионов кислорода сумела перевести оксиды металлов из изолированного состояния в проводящее. Подробности исследования были опубликованы в журнале Science.

Схемы, используемые в современных компьютерных процессорах, памяти и других компонентах, представляют собой совокупность интегральных транзисторов, изготовленных из кремниевых пластин. Обычный транзистор меняет свое состояние под воздействием на его затвор небольшого электрического напряжения. Таким образом, осуществляется переключение – включение или выключение – транзистора, и через него начинает течь электрический ток.

В технологии IBM применяется другой подход перевода материала в проводящее состояние, основанный на использовании материалов с сильно коррелированными электронами, например, оксидов металлов. В обычном состоянии эти материалы являются изоляторами и не проводят электрический ток. «Они не подчиняются обычной зонной теории, – пояснил Паркин. – Но при определенных условиях могут менять свое состояние и становиться проводниками».

В результате исследований, продолжавшихся несколько лет, ученым удалось найти способы изменения электропроводности коррелированных электронных оксидов. Применявшиеся ранее подходы основывались на приложении к материалу нагрузки и на изменении его температурного состояния. Ни один из них так и не нашел применения в массовом выпуске микросхем. Прорыв, совершенный исследователями из IBM, заключается в том, что электропроводность материала меняется под воздействием молекул кислорода.

В экспериментах IBM эти электроны вводились путем контакта с ионной жидкостью, состоящей из крупных молекул неправильной формы. Когда к жидкости прилагалось напряжение, и она помещалась на оксид металла, материал менял свое состояние с проводящего на изолирующее и наоборот.

Подход этот может оказаться более эффективным с точки зрения энергопотребления по сравнению с использованием стандартных кремниевых транзисторов. Дело в том, что транзисторы здесь энергонезависимы – их не нужно постоянно подпитывать, для того чтобы они сохраняли свое состояние. Напряжение подается лишь однажды, для переключения состояния.

«Наши материалы не могут переключаться так быстро, как кремниевые транзисторы, но их относительно низкая скорость переключения с лихвой компенсируется получаемой гибкостью, – отметил Паркин. – Теоретически такие транзисторы могут имитировать работу человеческого мозга в том смысле, что изменение состояния материалов здесь осуществляется под воздействием жидкостей и потоков ионов. А нам известно, что мозг выполняет вычислительные операции в миллион раз эффективнее, чем кремниевые компьютеры».

Схемы подобного рода могут использовать микрожидкостный подход – опробованную практику управления небольшими объемами жидкости, помещаемой в систему. "Мы будем помещать жидкость непосредственно на поверхности или трехмерные структуры оксидов и изменять их свойства путем приложения электрического напряжения к затвору, – указал Паркин. – Когда виртуальная схема выполнит свою задачу, ее можно будет разобрать, просто пропустив жидкость через другие каналы.