วัสดุใหม่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของการประมวลผลและหน่วยความจำคอมพิวเตอร์

Anonim

ทีมงานวิจัยของมหาวิทยาลัยมินนิโซตาได้พัฒนาวัสดุใหม่ ๆ ซึ่งอาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการประมวลผลและความทรงจำของคอมพิวเตอร์ นักวิจัยได้ยื่นจดสิทธิบัตรเกี่ยวกับวัสดุด้วยการสนับสนุนจาก บริษัท วิจัยเซมิคอนดักเตอร์และผู้ที่อยู่ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้ร้องขอตัวอย่างวัสดุดังกล่าวแล้ว

ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในนิตยสาร Nature Materials

"เราใช้วัสดุควอนตัมที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมากจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่สร้างขึ้นในรูปแบบที่ไม่เหมือนใครซึ่งเป็นผลมาจากวัสดุที่มีสมบัติทางกายภาพและทางสปินแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์และหน่วยความจำได้ดีขึ้น "กล่าวโดย Jian-Ping Wang ศาสตราจารย์ McKnight University of Minnesota และ Robert F. Hartmann ประธานฝ่ายวิศวกรรมไฟฟ้า

วัสดุใหม่นี้อยู่ในชั้นเรียนของวัสดุที่เรียกว่า "ฉนวนทางทอพอโลยี" ซึ่งได้รับการศึกษาเมื่อไม่นานมานี้โดยฟิสิกส์และชุมชนการวิจัยวัสดุและอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากมีการขนส่งทางอิเล็กทรอนิกส์แบบสปินและคุณสมบัติแม่เหล็กที่เป็นเอกลักษณ์ ฉนวนเชิงทอพอโลยีมักถูกสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการเติบโตของผลึกเดี่ยว อีกเทคนิคการประดิษฐ์ทั่วไปใช้กระบวนการที่เรียกว่า Molecular Beam Epitaxy ซึ่งผลึกที่ปลูกในฟิล์มบาง ๆ ทั้งสองเทคนิคเหล่านี้ไม่สามารถปรับขนาดได้ง่ายสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ในการศึกษานี้นักวิจัยเริ่มต้นด้วยบิสมัท selenide (Bi2Se3) ซึ่งเป็นสารประกอบของบิสมัทและซีลีเนียม จากนั้นพวกเขาใช้เทคนิคการสะสมฟิล์มบางที่เรียกว่า "สปัตเตอร์" ซึ่งเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมระหว่างไอออนและอะตอมในวัสดุเป้าหมายเนื่องจากการชนกัน ในขณะที่เทคนิคการสปัตเตอร์เป็นเรื่องปกติในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์นี่เป็นครั้งแรกที่มีการใช้วัสดุฉนวน topological ซึ่งสามารถปรับขนาดสำหรับงานด้านเซมิคอนดักเตอร์และอุตสาหกรรมแม่เหล็กได้

อย่างไรก็ตามเทคนิคการสปัตเตอร์ไม่ได้เป็นส่วนที่น่าแปลกใจที่สุดของการทดลอง นาโนที่มีขนาดน้อยกว่า 6 นาโนเมตรในชั้นฉนวน topological sputtered สร้างคุณสมบัติทางกายภาพใหม่สำหรับวัสดุที่เปลี่ยนพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุ หลังจากการทดสอบวัสดุใหม่นักวิจัยพบว่ามีประสิทธิภาพในการประมวลผลและหน่วยความจำคอมพิวเตอร์สูงถึง 18 เท่าเมื่อเทียบกับวัสดุในปัจจุบัน

"ในขณะที่ขนาดของธัญพืชลดลงเราพบสิ่งที่เราเรียกว่า" การควอนตัมควอนตัม "ซึ่งอิเล็กตรอนในวัสดุทำหน้าที่แตกต่างกันทำให้เราสามารถควบคุมพฤติกรรมของอิเล็กตรอนได้มากขึ้น" โทนี่โลว์ผู้ร่วมวิจัยด้านการศึกษาจากมหาวิทยาลัยมินนิโซตากล่าว ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์

นักวิจัยศึกษาวัสดุโดยใช้เทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกล้องความละเอียดสูงแบบพิเศษของ University of Minnesota (TEM) ซึ่งเป็นเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ที่ส่งลำแสงอิเล็กตรอนผ่านตัวอย่างเพื่อสร้างภาพ

"การใช้ TEM การสแกนที่ผิดเพี้ยนขั้นสูงของเราทำให้เราสามารถตรวจสอบว่ามีเมล็ดนาโนและอินเทอร์เฟซของพวกเขาในภาพยนตร์เรื่องนี้ได้อย่างไร" Andre Mkhoyan รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและวัสดุศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญด้านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของ University of Minnesota กล่าว

นักวิจัยกล่าวว่านี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้นและการค้นพบครั้งนี้สามารถเปิดประตูสู่ความก้าวหน้าในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องเช่นเทคโนโลยีหน่วยความจำแบบสุ่มโดยการสุ่มแม่เหล็ก (MRAM)

Mahendra DC (Dangi Chhetri) ผู้ประพันธ์หนังสือเล่มแรกและฟิสิกส์ Ph.D. กล่าวว่า "ด้วยฟิสิกส์ใหม่ ๆ ของวัสดุเหล่านี้ นักเรียนในห้องปฏิบัติการของศาสตราจารย์วัง

วังยอมรับว่าการวิจัยที่ทันสมัยนี้อาจมีผลกระทบอย่างมาก

วังกล่าวว่า "การใช้กระบวนการสปัตเตอร์ในการสร้างวัสดุควอนตัมเช่นฉนวน topological ของบิสมัท - เซเลนส์จะขัดต่อสัญชาตญาณที่ใช้งานง่ายของนักวิจัยทุกคนในสนามและไม่ได้รับการสนับสนุนจากทฤษฎีใด ๆ ที่มีอยู่" "สี่ปีที่ผ่านมาด้วยการสนับสนุนอย่างดีจาก บริษัท วิจัยเซมิคอนดักเตอร์และสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงของกระทรวงกลาโหมเราเริ่มต้นด้วยแนวคิดสำคัญในการค้นหาแนวทางในการพัฒนาและใช้วัสดุฉนวน topological สำหรับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์หน่วยความจำในอนาคต การค้นพบเชิงทดลองนำไปสู่ทฤษฎีใหม่สำหรับวัสดุฉนวนทางทอพอโลยี

"การวิจัยเป็นเรื่องของการอดทนและการทำงานร่วมกันกับสมาชิกในทีมครั้งนี้มีการจ่ายเงินมหาศาล" นายวังกล่าว

menu
menu