Primul cip de calculator fără semiconductori

Cercetătorii au construit nanotuburi electronice cu vid care ar putea îmbunătăţi radical performanțele şi eficienţa energetică a aparatelor electronice de uz personal şi a panourilor solare.

Tuburile electronice cu vid au fost folosite inițial în primele calculatoare electronice digitale în anii 1930 și 1940, înainte de a fi înlocuite cu tranzistoare pe bază de materiale semiconductoare, care pot fi miniaturizate mult mai mult. Acest lucru a făcut posibilă construcţia computerelor, smartphone-urilor și a tabletelor din prezent.

Tuburi electronice. Credit: Kenneth Leung/Flickr

Miniaturizarea tranzistoarelor este însă limitată și în prezent ne apropiem mai mult ca niciodată de limita de utilizare a tranzistoarelor.

Oamenii de ştiinţă de la UC San Diego au revenit la tuburile electronice cu vid pe care de data aceasta le-au construit mult mai mici şi mai eficiente energetic decât cele din trecut.

„Noile tuburi electronice cu vid nu vor înlocui toate componentele semiconductoare, dar ele s-ar putea dovedi cea mai bună soluţie în cazul anumitor aplicații particulare, cum ar fi cele în care se folosesc componente electronice care funcţionează la o frecvență foarte mare sau dispozitive electronice de putere”, a declarat Dan Sievenpiper, cercetător principal.

Chiar dacă tranzistoarele reprezintă una dintre cele mai importante invenții ale secolului 20, acestea fiind mult mai mici și mai eficiente din punct de vedere energetic decât tuburile electronice cu vid, oamenii de știință încearcă în prezent să miniaturizeze în continuare aceste componente electronice şi să le îmbunătăţească funcţionarea.

Fluxul de electroni prin materialele semiconductoare, cum ar fi siliciul utilizat în construcţia tranzistoarelor, este încetinit pe măsură ce electronii se ciocnesc de atomi, iar semiconductorii au, de asemenea, o aşa-numită bandă de decalaj, ceea ce înseamnă că necesită un aport de energie din exterior pentru a se obține un flux de electroni.

Avantajul principal al nanotuburilor electronice cu vid în comparaţie cu tranzistoarele pe bază de materiale semiconductoare este acela că fluxul de electroni nu mai străbate un material solid și astfel ele ar putea fi mult mai rapide decât tranzistoarele.

Nanotub cu vid (stânga), factorul de amplificare (mijloc) și distribuția câmpului electric (dreapta). Credit: UC San Diego

Pentru eliberarea electronilor din metale şi generarea unui curent electric prin tuburile electronice este necesară utilizarea unor tensiuni electrice mari sau a unui laser puternic, ceea ce este dificil de realizat la o scară nanometrică. Acesta a fost şi motivul care a limitat dezvoltarea tuburile electronice cu vid.

Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii au creat un strat de structuri speciale din aur, în formă de ciupercă, cunoscut sub numele de metasuprafaţă electromagnetică pe care l-au aşezat deasupra unui strat de dioxid de siliciu și a unei plachete de siliciu.

Atunci când pe această metasuprafaţă se aplică o tensiune mai mică de 10 volți și un laser de putere mică se creează „puncte fierbinți” având câmpuri electrice de mare intensitate, astfel încât electronii sunt eliberaţi din metal. Acest lucru le-a permis cercetătorilor să obţină în teste o creştere a conductivităţii electrice de 1.000% comparativ cu tuburile cu vid nanometrice fără metasuprafeţe.

Deocamdată realizarea cercetătorilor reprezintă doar demonstraţia unui concept, dar metasuprafeţele ar putea fi utilizate în viitor în construcția unor dispozitive speciale, cum ar fi noi tipuri de panouri solare.

„În continuare trebuie să înțelegem cât de mult pot fi mărite aceste dispozitive şi cât de performante pot fi ele”, a declarat Sievenpiper.

În clipul video de mai jos cercetătorii explică rezultatele obținute în urma studiului lor.

Studiul cercetătorilor a fost publicat în Nature Communications.

 Sursă: Science Alert