Elektronit surffaavat fononeilla

Viestintälaitteita ja antureita häiritsevä kohina johtuu elektronien siroilusta materiaalien virheiden ja lämpötilan aiheuttamien värähtelyjen vuoksi.

UCLA:n johtama tutkimusryhmä osoitti, että kahdesta epätavanomaisesta materiaalista valmistetut nanojohtimet osoittivat mahdollisuuden vähentää kohinaa perinteisen elektroniikan tason alapuolelle.

”Normaalisti ajattelemme fononeja elektroneja sirottavina pahiksina”, sanoo vastaava kirjoittaja Alexander Balandin. ”Tässä nimenomaisessa tapauksessa havaitsimme, että fononit mahdollistivat elektronien yhteisen liikkumisen. Tämä outo, ainutlaatuinen ominaisuus kohinan suhteen voisi auttaa meitä parantamaan signaali-kohinasuhdetta.”

Analogisesti elektronit voidaan kuvata surffaajina, jotka kulkevat johtavan materiaalin meressä, jonka läpi virtaa fononien aaltoja.

Koska fononien ja elektronien liike on niin läheisesti yhteydessä toisiinsa, materiaaleja, jotka avaavat asiantuntijasurffaustilan, kutsutaan "vahvasti korreloiviksi materiaaleiksi".

”Vahvasti korreloivat materiaalit mullistavat materiaalitiedettä”, Balandin sanoi. ”Näyttää siltä, että aiemmassa yksinkertaistetussa kuvauksessa menetettiin paljon ominaisuuksia, joten meidän piti tarkistaa teoreettisia mallejamme ja tulkintojamme. Jos pystymme kuvaamaan materiaaleja tarkemmin, se voi auttaa meitä löytämään ja ymmärtämään uusia ominaisuuksia.”

Löydökset viittaavat käytännön sovellusten potentiaaliin tulevaisuuden erittäin matalakohinaisissa tietoliikenne- ja anturiteknologioissa. Ne ovat myös lupaavia kvanttitietokoneiden hienovaraisten peruskomponenttien vakauttamisessa – ja tekevät sen nykyään välttämättömien äärimmäisen kylmien lämpötilojen yläpuolella.

Balandin näkee tulevaisuuden, jossa vahvasti korreloivia materiaaleja voidaan käyttää johtimina tietokonesirujen komponenttien liittämiseen. Hän uskoo, että nämä materiaalit voivat jopa tukea perustavanlaatuista muutosta piiriarkkitehtuurissa.

”Kaikella hyvällä on loppunsa”, hän sanoi. ”Huippuluokan ja tehokasta tekoälylaskentaa vaativien menetelmien kysynnän vuoksi meidän on tarkasteltava materiaaleja, jotka yli 10 vuoden kuluttua voivat tarjota meille vaihtoehtoisen tavan siirtää ja käsitellä sähköisiä signaaleja.”

Tutkijat aikovat tutkia tässä tutkimuksessa saatuja materiaaleja tarkemmin ja etsiä samalla muita materiaaleja, jotka kuljettavat varaustiheysaaltoja entistä tehokkaammin huoneenlämmössä.

”Ehkä on olemassa vielä parempia materiaaleja”, Balandin sanoi. ”Etsintä on käynnissä.”

Aiheesta aiemmin:

Elektronien ja fononien ennustetaan virtaavan kuin vesi 2D-puolijohteissa

Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri