Топологические материалы снизили энергопотребление вычислительных устройств
Из-за особенностей полупроводников ученые не могут понизить предел энергопотребления современных транзисторов. Физики показали, что если в этих электротехнических элементах использовать топологические изоляторы, можно уменьшить рабочее напряжение в два раза
Компьютерные чипы содержат миллиарды транзисторов — крошечных электротехнических элементов, которые выполняют основные коммутационные вычислительные операции. Сегодня размер транзисторов удалось уменьшить до 5 нанометров. Эти элементы используют приложенное к электроду затвора напряжение для включения и выключения тока, протекающего между электродами истока и стока.
Энергия, используемая для зарядки электрода затвора, выбрасывается при каждом включении и выключении транзистора. Обычный компьютер имеет миллиарды транзисторов, которые включаются и выключаются миллиарды раз в секунду, выделяя большое количество энергии.
Обычные транзисторы изготавливаются из полупроводников-материалов, обладающих запрещенной зоной — диапазоном энергетических уровней, на которые электроны не могут перескочить. Приложенное к затвору напряжение перемещает этот диапазон энергий, чтобы разрешить или заблокировать движение электронов с определенных уровней от истока к стоку. Но в таких устройствах достаточно велик ток утечки — электроны, которые преодолевают запрещенную зону и «утекают», увеличивая потери энергии.
Это происходит из-за того, что электроны в системе имеют различные энергии и относительно небольшая их часть способна перескочить через запрещенную зону, перейдя на более высокие уровни. Чтобы снизить ток утечки, необходимо поднять границу запрещенной зоны, уменьшив рабочее напряжение затвора. Но для всех полупроводников есть фундаментальное ограничение, которое не позволяет опустить напряжение затвора ниже определенного предела.
Авторы нового исследования показали, что топологические изоляторы способны решить эту проблему. Такие материалы являются диэлектриками в объеме, но их поверхность проводит электрический ток. Физики обнаружили, что, в отличие от обычного полупроводника, топологические изоляторы могут переключаться при напряжениях вдвое меньших, чем в обычных полупроводниках.
Это позволит снизить энергопотребление вычислительных устройств в разы. Однако пока исследование носит лишь теоретический характер, так как создать обладающих подобными свойствами топологических материалов на практике исследователи еще не смогли.
Статья об открытии опубликована в журнале Nano Letters.
