Päihittää Boltzmanin tyrannian

Teoreettinen tutkimus vahvistaa, että topologinen transistori voittaisi Boltzmannin tyrannian eli alarajan käyttöenergialle. Kuva: FLEET

Suurempi kuva

Australialaisen FLEET-tutkimusyksikön tutkijoiden yhteistyö Wollongongin, Monashin ja UNSW:n yliopistojen kanssa on teoreettisessa tutkimuksessa osoittanut, että topologisten eristeiden käyttö perinteisten puolijohteiden sijaan transistorien valmistamiseksi voisi vähentää porttijännitettä puoleen ja transistorin itsensä käyttämän energian kertoimella neljä.

Tämän saavuttamiseksi heidän oli löydettävä tapa voittaa kuuluisa Boltzmannin tyrannia, joka asettaa alarajan transistorin kytkentäenergialle.

He löysivät yllättävän tuloksen: topologiseen eristeeseen kohdistettu porttijännite voisi luoda esteen elektronivirralle, joka on suurempi kuin itse jännite kertaa elektronivaraus, tuloksen, jota aiemmin pidettiin mahdottomana.

Boltzmannin tyrannian uskotaan rajoittavan sitä, kuinka pieni käyttöportin jännite voi olla transistorille riippumatta siitä, mistä materiaalista se on valmistettu.

FLEETin tutkijat olivat uteliaita, josko jotain erilaista vaikutusta voisi käyttää esteen muodostamiseen transistorin elektronivirralle. Tutkijat päättivät tarkastella topologisia eristeitä, joiden kaistaväli on tosiasiallisesti negatiivinen.

"Ohuet kaksiulotteiset topologiset eristeet eristävät sisätiloillaan, mutta johtavat reunojaan pitkin", kertoo johtava kirjoittaja Muhammad Nadeem. "Tässä tilassa ne voivat toimia transistorin "päällä" -tilana ja johtavat reunat kuljettavat virtaa."

"Topologisen eristeen kaistanleveyttä voidaan muuttaa sähkökentällä", Nadeem jatkaa. "Kun siitä tulee positiivinen, materiaali ei ole enää topologinen eriste, eikä sillä ole enää johtavia reunoja, jotka toimisivat kuten tavallinen puolijohde jolloin kaistaväli toimii esteenä elektronivirralle ("pois"-tila).

Tutkimusryhmä havaitsi, että toisin kuin tavallinen puolijohde, kaistanleveyden kasvu (elektronivoltteina) topologisessa eristeessä voi olla suurempi kuin porttiin kohdistettu jännite (voltteina), päihittäen Boltzmannin tyrannian.

Vismutseeni, yhden atomin paksuinen vismuttiatomikerros, on toinen ehdokasmateriaali topologiselle transistorille Monia haasteita on jäljellä. Tutkimus on toistaiseksi vain teoreettinen. Tutkijan Xiaolin Wangin mukaan ”joitain ehdokasmateriaaleista, kuten vismuteenia, yhden atomin paksuista hunajakennomaista vismuttikerrosta on äskettäin alettu tutkia laboratoriossa, eikä siitä ole vielä käytetty transistoreihin." Muut materiaalit ovat edelleen piirustuspöydällä, eikä niiden syntetisoimista vielä osata.

Aiheesta aiemmin:

Topologisia ja muita vähällä toimivia transistoreita

Uusia ominaisuuksia elektroniikalle

Uusia materiaaleja elektroniikalle