Цифровая эпоха привела к появлению череды более мелких, чистых и менее энергоемких технологий с тех пор, как персональный компьютер поместился на столе, заменив модели мэйнфреймов, которые когда-то заполняли целые комнаты. Настольные ПК с тех пор уступили место все меньшим и меньшим по размеру ноутбукам, смартфонам и устройствам, которые большинство из нас носит с собой в карманах.
Но, как указывает Волков, это технологическое сокращение может зайти так далеко только при использовании традиционных интегральных схем на основе транзисторов. Вот почему он и его исследовательская группа стремятся создавать совершенно новые технологии в атомном масштабе.
«Наша конечная цель – создать электронику со сверхнизким энергопотреблением, потому что это то, что сейчас наиболее востребовано в мире», – сказал Волков, заведующий кафедрой iCORE в области наноразмерных информационных и коммуникационных технологий факультета естественных наук. "Мы приближаемся к некоторым фундаментальным пределам, которые остановят 30-летнюю попытку сделать вещи быстрее, дешевле, лучше и меньше; это скоро закончится.
"Потребуется совершенно новый метод вычислений."
Электроника атомного масштаба
Волков и его команда на физическом факультете Университета Австралии и в Национальном институте нанотехнологий работают над созданием технологий атомарной точности, которые имеют практическое, реальное применение. Его лаборатория уже попала в Книгу рекордов Гиннеса за изобретение самого острого объекта в мире – наконечника микроскопа шириной всего в один атом на конце.
Они сделали более ранний прорыв в 2009 году, когда они создали самые маленькие из когда-либо существовавших квантовых точек – один атом кремния шириной менее одного нанометра – с использованием техники, которая будет удостоена награды U.S. патент в конце этого месяца.
Квантовые точки, говорит Волков, – это сосуды, удерживающие электроны, как карманы на бильярдном столе.
Точки могут быть расположены так, чтобы электроны могли находиться в двух карманах одновременно, что позволяет им взаимодействовать и обмениваться электронами – уровень контроля, который делает их идеально подходящими для компьютерных схем.
«Это может быть так же важно, как и транзистор», – говорит Волков. "Это закладывает основу для совершенно новой основы электроники, и в частности электроники сверхмалого энергопотребления."
Новые открытия открывают путь к созданию превосходной наноэлектроники
Волков и его команда, опираясь на свои предыдущие успехи, модифицировали сканирующие туннельные микроскопы с помощью наконечника атомного микроскопа, который излучает ионы вместо света с превосходным разрешением. Подобно игле проигрывателя, микроскопы могут отслеживать топографию атомов кремния, обнаруживая особенности поверхности в атомном масштабе.
В новой статье, опубликованной в Physical Review Letters, научный сотрудник Бруно Мартинс вместе с Волковым и другими членами команды впервые наблюдали, как электрический ток течет через кожу кристалла кремния, а также измерили электрическое сопротивление как ток прошел за один атомный шаг.
Волков говорит, что кристаллы кремния в основном гладкие, за исключением этих атомных лестниц – небольшие дефекты с каждой ступенькой высотой в один атом. По его словам, знание того, что вызывает электрическое сопротивление, и возможность регистрировать величину сопротивления открывает путь к разработке превосходных наноэлектронных устройств.
В другом эксперименте, на этот раз под руководством аспиранта Марко Таусера, исследовательская группа наблюдала, как одиночные электроны прыгают в квантовые точки и выходят из них, и разработала метод мониторинга, сколько электронов помещается в карман, и измерения заряда точки.
В прошлом такие наблюдения были невозможны, потому что сама попытка измерить что-то настолько необычайно малое меняет это, говорит Волков.
«Представьте, что если вы смотрели на что-то своими глазами, акт взгляда на это каким-то образом исказил это», – говорит он. "Теперь мы можем избежать этого возмущения из-за взгляда, и поэтому можем получить доступ и с пользой развернуть точки в схемах."
Выводы команды, также опубликованные в Physical Review Letters, дают ученым возможность контролировать заряд квантовых точек.
Они также нашли способ создавать квантовые точки, которые функционируют при комнатной температуре, а это значит, что в дорогостоящей криогенике нет необходимости.
"Это захватывающе, потому что внезапно вещи, которые считались экзотическими и далекими идеями, стали близки. Мы думаем, что сможем их построить."
Вывод на рынок электроники следующего поколения
Волков и его команда настолько твердо верят в коммерческий потенциал схем атомного масштаба, что два года назад они основали собственную дочернюю компанию Quantum Silicon Inc. В течение следующих пяти-шести лет QSI планирует продемонстрировать потенциал этих «чрезвычайно экологичных» схем, которые могут использовать меньшие батареи с большим сроком службы.
По словам Волкоу, это также перемещает их из области фундаментальных исследований в прикладные и реальные.
«У нас есть эта прекрасная связь, где у нас есть тренировочная площадка для студентов и высокие академические амбиции к прогрессу, но эти вещи вполне естественно и немедленно переходят в эту практическую организацию."
Первоначально большая часть их усилий будет сосредоточена на создании гибридных технологий – добавлении схем атомарного масштаба к обычной электронике, такой как устройства GPS или спутники, например, замена одного звена в цепи с учетом затрат времени на создание новых схем.
Может пройти десятилетие, прежде чем станет возможным массовое производство схем атомарного масштаба, но потенциал будущего очень велик, говорит Волков.
"Это может полностью изменить мировую электронную основу.
Это перспектива на триллион долларов."
Видео: http: // www.YouTube.com / watch?v = XgqqP7yPdUQ