Bismuthene, una capa de átomos de bismuto de un solo átomo de espesor, es otro material candidato para un transistor topológico. Crédito:FLOTA
Una nueva investigación de FLEET confirma el potencial de los materiales topológicos para reducir sustancialmente la energía consumida por la informática.
La colaboración de investigadores de FLEET de la Universidad de Wollongong, La Universidad de Monash y la UNSW han demostrado en un estudio teórico que el uso de aisladores topológicos en lugar de semiconductores convencionales para fabricar transistores podría reducir el voltaje de la puerta a la mitad. y la energía utilizada por cada transistor en un factor de cuatro.
Para lograr esto, tenían que encontrar una manera de superar la famosa "tiranía de Boltzmann" que pone un límite más bajo a la energía de conmutación de los transistores.
Encontraron un resultado sorprendente:el voltaje de puerta aplicado a un aislante topológico podría crear una barrera para el flujo de electrones mayor que el voltaje en sí multiplicado por la carga de electrones, un resultado que antes se pensaba imposible.
La misión del Centro de Excelencia ARC en Tecnologías Futuras de Electrónica de Bajo Consumo (FLEET) es reducir la carga de energía insostenible de la tecnología de la información y la computación (TIC), ahora consume alrededor del 10% de la electricidad mundial.
Transistores:no están solo en la radio del cobertizo del abuelo
Los chips de computadora contienen miles de millones de transistores, diminutos interruptores eléctricos que realizan las operaciones básicas de conmutación de la computación.
Los transistores individuales hoy en día son tan pequeños como 5 nanómetros de diámetro (5 millonésimas de milímetro).
Los transistores utilizan un voltaje aplicado a un electrodo de "puerta" para encender y apagar la corriente que fluye entre los electrodos de "fuente" y "drenaje". La energía utilizada para cargar el electrodo de puerta se desecha cada vez que se enciende y apaga cada transistor. Una computadora típica tiene literalmente miles de millones de transistores que se encienden y apagan miles de millones de veces por segundo, sumando mucha energía.
Los transistores convencionales están hechos de semiconductores, materiales que poseen una "banda prohibida" o un rango de energías dentro de las cuales los electrones están prohibidos. La acción del voltaje aplicado a la puerta es mover este rango de energías prohibidas para permitir (el estado 'encendido') o bloquear (el estado 'apagado') las energías a las que los electrones entrantes se mueven de la fuente al drenaje.
En un transistor ideal, 1 voltio aplicado a la puerta se movería hacia arriba en el rango de energías bloqueadas por 1 electrón-voltio.
El chip del tamaño de un sello postal en el corazón de un iPhone 5 tiene alrededor de mil millones de transistores. Crédito:Errol Hunt (FLOTA)
La 'tiranía' de las fugas pone un límite más bajo a la energía de conmutación
¿Qué tamaño de barrera se necesita para que el transistor funcione correctamente?
El problema es que las energías de los electrones que provienen de la fuente están inherentemente 'manchadas' a una temperatura finita, por lo que siempre hay algunos electrones con energía suficientemente alta para atravesar la barrera. Esta corriente de "fuga" conduce a un desperdicio de energía.
Las consideraciones termodinámicas básicas requieren que para reducir la corriente en un factor de 10 se requiere elevar la barrera en aproximadamente 60 milielectronvoltios a temperatura ambiente. Pero para evitar el desperdicio de energía a través de la corriente de fuga, es necesario reducir la corriente en un factor de aproximadamente 100, 000, o una barrera de aproximadamente 300 milielectronvoltios, que requiere un voltaje de puerta de al menos 300 milivoltios.
Este voltaje de puerta mínimo pone un límite más bajo en la energía de conmutación.
Esto se llama 'tiranía de Boltzmann' en honor a Ludwig Boltzmann, quien describió la mancha de las energías de las partículas por la temperatura.
Se cree que la tiranía de Boltzmann limita cuán pequeño puede ser el voltaje de la puerta de operación para un transistor, no importa de qué material esté hecho.
Superar el límite de Boltzmann con nuevos materiales
Los investigadores de FLEET tenían curiosidad por saber si se podría utilizar un efecto diferente para crear una barrera para el flujo de electrones en un transistor.
En algunos materiales, un campo eléctrico puede cambiar el tamaño de la banda prohibida. Se preguntaron si el campo eléctrico debido al voltaje aplicado a un electrodo de puerta podría usarse para expandir la banda prohibida y crear una barrera a los electrones. La respuesta es sí, pero para los materiales típicos, este efecto no supera la tiranía de Boltzmann:1 voltio aplicado a la puerta solo puede crear una barrera no mayor de 1 electrón-voltio.
El estudio teórico confirma que un transistor topológico derrotaría a la tiranía de Boltmann, un límite inferior en la energía operativa Crédito:FLEET
Los investigadores decidieron observar una clase especial de materiales llamados aislantes topológicos, que tienen una banda prohibida que es efectivamente negativa.
"Los aislantes topológicos delgados (bidimensionales) son aislantes en su interior, pero conduce a lo largo de sus bordes, "explica el autor principal Muhammad Nadeem (Universidad de Wollongong)." En este estado pueden funcionar como el estado 'encendido' de un transistor, con corriente transportada por los bordes conductores ".
"La banda prohibida de un aislante topológico también se puede cambiar mediante un campo eléctrico, "dice Nadeem." Cuando se vuelve positivo, el material ya no es un aislante topológico, y ya no tiene bordes conductores, actuando como un semiconductor regular, con la banda prohibida actuando como una barrera para el flujo de electrones (el estado 'apagado') ".
Sin embargo, el equipo de investigación encontró que, a diferencia de un semiconductor regular, el aumento en la banda prohibida (en electrón-voltios) en el aislante topológico podría ser mayor que el voltaje aplicado a la puerta (en voltios), venciendo a la tiranía de Boltzmann.
"Los materiales topológicos adecuados podrían cambiar a voltajes la mitad de grandes que los de un transistor convencional similar, que requeriría solo una cuarta parte de la energía, "dice el co-investigador Dimi Culcer (UNSW).
¿A dónde vamos desde aquí?
Quedan muchos desafíos. El estudio es por el momento solo teórico. El co-investigador Xiaolin Wang (UOW) dice que "algunos de los materiales candidatos, como el bismuteno, una capa de bismuto de un solo átomo de espesor dispuesta en una estructura de panal, acaban de empezar a estudiarse en el laboratorio, y aún no se han convertido en transistores ".
Otros materiales están todavía en la mesa de dibujo y aún no se sabe cómo sintetizarlos. "Sin embargo, "dice el co-investigador Michael Fuhrer (Monash), "Los investigadores de FLEET están trabajando arduamente para fabricar estos nuevos materiales, caracterizarlos, e incorporarlos en dispositivos electrónicos ".
