Magnetit je příslibem tisíckrát rychlejších čipů

Karel Javůrek  |  Technika

V oblasti budoucích materiálů pro výrobu čipů zatím není jasný vítěz. Zkoumá se grafen nebo germanium, ale nový objev možná nabídku rozšíří.

I když pro výrobu tranzistorů v čipech používáme už několik desítek let křemík, který má polovodičové vlastnosti při normální pokojové teplotě, jeho možnosti se začínají blížit konci použitelnosti.

Spousta vědců tak zkoumá náhradu v podobě velmi zajímavého grafenu, případně germania, které je jednodušší na implementaci do současných technologií výroby.

Vědci ale díky nové technologii objevili možnost, jak mnohem lépe zkoumat vlastnosti dalších materiálů pro použití v podobné funkci, jako nabízí tranzistor.

Magnetit s extrémně rychlým přepínáním

Vědci z americké národní laboratoře SLAC (DOE) při bližším zkoumání vlastností magnetitu objevili jeho výjimečné schopnosti pro rychlé elektronické přepínání stavů.

I když se jedná o přírodní minerál, jeho vlastnosti mohou pomoci zlepšit rychlost současných křemíkových čipů. Vědcům se totiž podařilo objevit technologii, která umožňuje snímat velmi rychlé změny stavů, které dříve nebylo možné tak přesně měřit a nebylo tak jednoduché určit vlastnosti materiálu.

Měření je schopné detekovat v rámci velmi krátkého času (triliontina sekundy) co přesně se děje v materiálu při přechodu do vodivého stavu, včetně míst, která zůstávají nevodivá. Zdroj: SLAC
Měření je schopné detekovat v rámci velmi krátkého času (triliontina sekundy) co přesně se děje v materiálu při přechodu do vodivého stavu, včetně míst, která zůstávají nevodivá. Zdroj: SLAC

S pomocí týmu ze Stanfordu se podařilo detekovat, že rychlost přepnutí vodivého a nevodivého stavu (zapnuto/vypnuto) v magnetitu je tisíckrát rychlejší, než u běžných křemíkových tranzistorů.

Problém magnetitu ale tkví v tom, že pro tyto vlastnosti je nutná teplota –190 stupňů celsia, což je pro běžné použití neefektivní. Důležitým objevem ale není samotná rychlost magnetitu, ale měřící zařízení, respektive laser.

Tip: Abstrakt k výzkumu magnetitu (PDF)

Oproti běžným optickým laserům používá i rentgenové pulzy, které jsou schopné detekovat změny v tisíckrát kratším čase – v jedné triliontině sekundy. Díky tomu mají vědci nástroj pro velmi přesné měření toho, co se v materiálu děje při formování vodivého stavu a nevodivých částí v materiálu.

Optimalizace materiálů

S novou technologií pro přesné měření celého procesu je možné optimalizovat i složitější materiály, které nabízí „přepínací“ vlastnost při pokojové teplotě.

Laser v laboratoři SLAC slouží pro extrémně přesné měření přepínání stavů v materiálech. Zdroj: SLAC
Laser v laboratoři SLAC slouží pro extrémně přesné měření přepínání stavů v materiálech. Zdroj: SLAC

Podle jednoho z hlavních vědců v týmu Hermanna Dürra, je nyní potřeba zkoumat další materiály a další techniky jak zlepšit přepínací rychlost. To by mělo umožnit vytvořit v relativně krátkém čase tranzistory i s tisíckrát rychlejším přepínáním stavů mezi 0 (vypnuto) a 1 (zapnuto).Není tak potřeba řešit složitější materiálové a technologické změny jako u budoucích revolučních forem pokročilých čipů.

Oxid vanadičitý jako první kandidát

Jedním z prvních materiálů, na kterých začali vědci po objevu pracovat, je oxid vanadičitý, který má podobné vlastnosti jako magnetit, ale při běžné pokojové teplotě.

Podle Hermanna Dürra je dnes velmi těžké přijít s novým materiálem nebo novou technologií v oblasti tranzistorů, protože stávající křemík je jako hlavní polovodičový materiál pro tvorbu tranzistoru standardem už opravdu hodně dlouho. Pokud by ho měl v nejbližší době nahradit nějaký jiný materiál, musí se jednat o vynikající náhradu. Musí mít mnohem vyšší rychlost přepínání a musí ho být možné zpracovat pomocí současných výrobních technologií, případně s velmi malými úpravami.

Vědce tak v případě oxidu vanadičitého čeká zkoumání přepínání stavu pomocí silných, ale velmi krátkých elektrických impulzů, podobně jako u běžných tranzistorů. V rámci první fáze totiž pro přepínání používali zmíněné lasery a rentgenové paprsky.

Nejčtenější