Komputery bez krzemu. Elektronika molekularna wchodzi na scenę

Rewolucja jednej cząstki

W świecie komputerów trwa nieustanny wyścig. Chcemy, by były mniejsze, szybsze i bardziej energooszczędne. Przez dekady udawało się zmniejszać elementy elektroniczne. Jednak krzem, który jest fundamentem współczesnej elektroniki, powoli dociera do granic swoich możliwości. Im mniejsze stają się chipy, tym trudniej utrzymać ich wydajność i niezawodność. Dlatego coraz częściej pojawia się pytanie: czy komputery bez krzemu są możliwe? Gdzie zatem szukać nowego materiału do budowy przyszłych urządzeń elektronicznych?

Odpowiedź na to pytanie może tkwić w molekułach. Zespół fizyków z Uniwersytetu Miami, we współpracy z naukowcami z Georgia Institute of Technology i Uniwersytetu Rochester, postanowił opracować nowy typ przewodnika. Nie jest zbudowany z metalu, lecz z organicznych cząsteczek. Efektem ich pracy jest materiał przewodzący prąd bez strat energii, który może umożliwić powstanie komputerów bez krzemu.

Polecamy: Przełom w komunikacji kwantowej. Splątanie kwantowe stało się proste

Komputery bez krzemu: prąd bez strat i oporu

„Dotąd nie było materiału molekularnego, który pozwalałby elektronom przepływać bez strat. Nasza cząsteczka to pierwszy taki przypadek. Elektrony przemieszczają się w niej jak pocisk. Praktycznie bez oporu i utraty energii na długości kilkudziesięciu nanometrów” – wyjaśnia Kun Wang, fizyk z Uniwersytetu Miami, cytowany przez oficjalny portal uczelni.

To ogromny przełom. W tradycyjnych materiałach organicznych sygnał elektryczny traci na sile wraz z odległością. W tym przypadku jest odwrotnie. Nowa cząsteczka działa jak mikroskopijny superprzewodnik. A co ważne, składa się z prostych, powszechnie dostępnych pierwiastków: węgla, siarki i azotu. Wszystko to czyni z niej materiał nie tylko wydajny, ale również praktyczny i opłacalny.

Uczeni tłumaczą, że jednym z największych atutów ich materiału jest jego odporność. Zwracają też uwagę, że nie trzeba projektować urządzeń elektronicznych od zera. Opracowana cząsteczka może współpracować z dotychczasowymi technologiami i stanowić ich uzupełnienie, a z czasem nawet całkowicie je zastąpić. Co więcej, proces syntezy nowej cząsteczki jest niedrogi i możliwy do przeprowadzenia w laboratorium. To ważna wiadomość z punktu widzenia przemysłu. Łatwość produkcji oznacza realną szansę na szybką komercjalizację i rozwój komputerów bez krzemu.

Czy komputery bez krzemu podbiją rynek?

Nowa cząsteczka nie tylko umożliwia budowę mniejszych urządzeń elektronicznych. Jej właściwości przewodzące mogą znaleźć zastosowanie także w dziedzinach, które dopiero się rozwijają. Przykład? Komputery kwantowe.

„Bardzo wysokie przewodnictwo elektryczne obserwowane w naszych cząsteczkach jest wynikiem interakcji spinów elektronowych na dwóch końcach cząsteczki. W przyszłości można by wykorzystać ten swoisty system molekularny jako kubit, który jest podstawową jednostką dla obliczeń kwantowych” – podkreśla Wang.

Spin elektronowy to cecha, której nie da się zobaczyć gołym okiem, ale ma ogromne znaczenie. Choć słowo „spin” sugeruje, że elektron się obraca jak piłka, w rzeczywistości chodzi o wewnętrzną właściwość cząstki, sprawiającą, że działa ona jak miniaturowy magnes. W opisywanej cząsteczce to właśnie spin pomaga elektronom płynąć bez strat. Dlatego naukowcy są zdania, że ich odkrycie może znaleźć zastosowanie nawet w komputerach kwantowych i przyspieszyć rozwój komputerów bez krzemu.

Nowa generacja komputerów

Obecnie podstawą elektroniki są tranzystory wykonane z krzemu. Tranzystor to miniaturowy przełącznik lub wzmacniacz sygnału, który kontroluje przepływ prądu w obwodach elektronicznych. Z kolei krzem działa jak półprzewodnik. W odpowiednich warunkach może przewodzić prąd albo go blokować. Dzięki swoim właściwościom fizycznym i chemicznym krzem pozwala budować miliardy tranzystorów na jednej płytce, czyli chipie. Tranzystory przez lata ulegały miniaturyzacji zgodnie z tzw. prawem Moore’a. Zgodnie z tą regułą ich liczba na procesorze podwajała się co dwa lata. Obecnie jednak tempo to wyraźnie zwalnia. Bariera krzemu staje się coraz trudniejsza do pokonania. Pojawiają się problemy z nadmiernym nagrzewaniem się oraz utratą sygnału na bardzo krótkich dystansach. 

Chcesz czytać teksty, które zostają w głowie na długo? Otwórz kwartalnik Holistic News!

Jeśli naukowcy potwierdzą właściwości nowego materiału, może on wkrótce znaleźć zastosowanie w telefonach, laptopach, a nawet samochodach elektrycznych. Zamiast walczyć z ograniczeniami fizyki, naukowcy proponują zupełnie inne podejście: budowę elektroniki przy pomocy chemii. W efekcie mogą powstać pierwsze w pełni funkcjonalne komputery bez krzemu.

Molekularna elektronika nie jest już tylko koncepcją z podręczników. To realna technologia, która właśnie zyskała wyjątkowo silnego kandydata do zastosowań praktycznych. Cząsteczka opracowana przez zespół z Uniwersytetu Miami może sprawić, że komputery staną się jeszcze mniejsze, tańsze i bardziej energooszczędne.

Polecamy: Teleportacja kwantowa na kablach. Uczeni użyli światłowodów