Μια επιστημονική ανατροπή έρχεται από την Κίνα, όπου ερευνητές του Chinese Academy of Sciences ανακάλυψαν ότι οι ατέλειες σε συγκεκριμένα υλικά, αντί να αποτελούν εμπόδιο, μπορούν να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη πιο ισχυρών και ενεργειακά αποδοτικών ηλεκτρονικών συστημάτων. Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Materials, φέρνει στο προσκήνιο μια νέα προσέγγιση στη νανοτεχνολογία και την κβαντική φυσική, με άμεσες προοπτικές για τη βιομηχανία των υπολογιστών και των έξυπνων συσκευών.
Η επιστημονική ομάδα από το Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) επικεντρώθηκε στον τομέα των spintronics, μιας τεχνολογίας που επιδιώκει να ξεπεράσει τα όρια της κλασικής ηλεκτρονικής. Ενώ οι σημερινές συσκευές βασίζονται αποκλειστικά στο ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου, στα spintronics αξιοποιούνται και άλλες κβαντικές ιδιότητες: τη στροφορμή του spin, που μπορεί να φανταστεί κανείς ως την «πάνω» ή «κάτω» κατεύθυνση ενός εσωτερικού δείκτη, και τη γωνιακή στροφορμή, που περιγράφει την κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον ατομικό πυρήνα. Χάρη σε αυτά τα επιπλέον χαρακτηριστικά, οι συσκευές του μέλλοντος μπορούν να αποθηκεύουν περισσότερα δεδομένα σε μικρότερους χώρους, να λειτουργούν ταχύτερα, να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και να διατηρούν τις πληροφορίες ακόμη και όταν η παροχή ρεύματος διακόπτεται.
Ένα από τα μεγάλα εμπόδια που αντιμετώπιζε η έρευνα των spintronics ήταν η παρουσία ατελειών στα υλικά. Οι ακαθαρσίες ή οι δομικές ανωμαλίες συχνά διευκολύνουν την εγγραφή δεδομένων, μειώνοντας το ρεύμα που απαιτείται για να «γράψει» η συσκευή πληροφορίες στη μνήμη. Όμως, αυτή η διευκόλυνση συνοδευόταν μέχρι σήμερα από αρνητικές συνέπειες: αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης, μείωση της αγωγιμότητας και τελικά μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Αυτός ο συμβιβασμός αποτελούσε τροχοπέδη για την ανάπτυξη υπερ-αποδοτικών συστημάτων χαμηλής κατανάλωσης.
Η ανατροπή ήρθε με την έρευνα της ομάδας του NIMTE. Οι επιστήμονες επικεντρώθηκαν στο φαινόμενο που ονομάζεται τροχιακό φαινόμενο Hall, το οποίο μελετήθηκε σε SrRuO3, ένα μεταλλικό οξείδιο με δυνατότητα ακριβούς τροποποίησης των ιδιοτήτων του. Πρόκειται για ένα κβαντικό φαινόμενο που καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται με βάση τη στροφορμή τροχιάς τους.
Με χρήση ειδικά σχεδιασμένων συσκευών και εξαιρετικά ακριβών μετρήσεων, οι ερευνητές ανακάλυψαν έναν νέο, απρόσμενο «κανόνα κλιμάκωσης». Αντί οι ατέλειες να μειώνουν την απόδοση, όπως συνέβαινε στις κλασικές εφαρμογές, εδώ επιτυγχάνεται το αντίθετο: η λεγόμενη «μηχανική ατελειών» οδηγεί ταυτόχρονα σε αύξηση τόσο της αγωγιμότητας του τροχιακού φαινομένου Hall όσο και της γωνίας του, κάτι που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ ξανά σε spintronics.
Ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Dr. Xuan Zheng, εξήγησε ότι η ανακάλυψη αυτή συνδέεται με τον μηχανισμό Dyakonov-Perel.
Διεργασίες σκέδασης που συνήθως υποβαθμίζουν την απόδοση, εδώ παρατείνουν τη διάρκεια ζωής της γωνιακής στροφορμής, ενισχύοντας έτσι το ρεύμα των ηλεκτρονίων.
Από την πλευρά του, ο επικεφαλής της ομάδας, Prof. Zhiming Wang, σχολίασε:
Η έρευνά μας ουσιαστικά ξαναγράφει τον οδηγό σχεδιασμού τέτοιων συσκευών. Αντί να παλεύουμε να εξαφανίσουμε τις ατέλειες, μπορούμε πλέον να τις αξιοποιούμε προς όφελός μας.
Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδείχθηκαν εντυπωσιακά: η στοχευμένη τροποποίηση της αγωγιμότητας οδήγησε σε τριπλασιασμό της ενεργειακής απόδοσης κατά τη διαδικασία εναλλαγής. Με απλά λόγια, η τεχνολογία αυτή υπόσχεται συσκευές που καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια, προσφέροντας παράλληλα καλύτερες επιδόσεις.
Η σημασία της μελέτης δεν περιορίζεται σε πρακτικό επίπεδο. Ανοίγει επίσης νέους δρόμους στην κατανόηση της φυσικής των κβαντικών μεταφορών, αναδεικνύοντας τον ρόλο των ατελειών όχι ως πρόβλημα, αλλά ως εργαλείο. Για τον κλάδο των spintronics, αυτό μεταφράζεται σε αναθεώρηση στρατηγικών σχεδιασμού και σε νέες προοπτικές για υλοποίηση πραγματικά βιώσιμων τεχνολογιών χαμηλής κατανάλωσης.
[via]
