El
calor que se acumula en el vaivén de la corriente en la electrónica es
un importante obstáculo para el embalaje más poder de cómputo en
dispositivos cada vez más pequeños: El exceso de calor puede hacer que
falle o minar su eficacia.
Ahora, los estudios de rayos X en el Departamento de SLAC National
Accelerator Laboratory de Energía tienen por primera vez observó una
propiedad exótica que podría deformar la estructura electrónica de un
material de una manera que reduce la acumulación de calor y mejora el
rendimiento en los componentes del equipo cada vez más pequeños.
Se llevó a cabo la investigación, en parte, en SLAC Stanford de
Radiación Sincrotrón Fuente luminosa (SSRL), una instalación de usuario
DOE Oficina de Ciencia y publicado este mes en la edición impresa de
Nature Materials.
Propiedades de energía de flexión
El equipo estudió una forma de óxido de iridio, Sr3Ir2O7, que pertenece
a una clase de los llamados materiales correlacionados en el que los
electrones se pueden hacer a comportarse de forma sincronizada.
Es un candidato para reducir el calor generado por los miles de
millones de transistores en el núcleo de los ordenadores modernos.
Los investigadores descubrieron que el material tiene una larga
teorizado propiedad, anteriormente sólo se encuentran en los materiales
2-D y conocido como 3-D compresibilidad electrónica negativa, que es
causada por su estructura electrónica inusual.
La estructura electrónica de un material es típicamente rígida, con
niveles de energía distintas o "bandas" que se llenan a medida que se
añaden electrones. Estos niveles se determinan por la estructura y composición química atómica del material.
En el estudio, se observaron estos niveles de energía para deformar
drásticamente, de una manera fluida, a medida que más electrones
llovieron, mientras que la estructura física del material no cambió de
manera significativa.
"Imagínese vertiendo agua en una taza y viendo el nivel del agua en el
vaso parece sumergir como la copa deforma", dijo Junfeng Él,
investigador de Boston College, quien dirigió el estudio.
"Así es como aparece en 3-D de compresibilidad electrónica negativo
para operar." Pero en este caso, es la estructura electrónica del
material - que define cómo se puede almacenar o el flujo de corriente
eléctrica - en lugar de su estructura física que deforma sustancialmente
como se añaden electrones.
Guiados por cálculos teóricos dirigidos por Arun Bansil, profesor de
física en la Universidad de Northeastern, los investigadores encontraron
que una brecha entre las diferentes agrupaciones de bandas de energía
en el material de la muestra en realidad se redujo a medida que se
añaden electrones, reduciendo almacenado nivel de energía de la materia -
como el nivel de agua apareciendo a declinar en el ejemplo taza.
En principio, el uso de electrodos de metal que tienen esta
característica en las puertas microscópicos que regulan el flujo de
electrones en los transistores podría mejorar sustancialmente su
eficiencia y reducir la acumulación de calor, dijo Él, que pronto se
unirán a SLAC como investigador postdoctoral.
La construcción de un transistor Mejor
Rui-Hua Él, profesor asistente de física en la universidad de Boston,
que es portavoz de la investigación, dijo, "Sustitución de metales
normales en los transistores con materiales como este que tienen
compresibilidad negativa electrónica presenta una alternativa
interesante a los enfoques actuales, con el objetivo de continua
miniaturización de dispositivos. "Y añadió:" Ahora estamos trabajando en
la primera demostración de su potencial aplicación a transistores ".
Los investigadores emplearon una técnica avanzada de rayos X en SSRL,
creado y mantenido por personal científico SLAC Donghui Lu y Makoto
Hashimoto, para medir con precisión la estructura electrónica del
material.
La compresibilidad electrónica negativa que encontró se muestra
prometedor para reducir los requisitos de energía necesarias para pasar
corriente eléctrica alrededor de un semiconductor, por ejemplo, lo que
reduciría el calor que genera y hacer de conmutación eléctrica más
eficiente.
Estudios previos habían observado una versión 2-D de compresibilidad
electrónica negativa en otros materiales, pero los investigadores dijo
que la forma 3-D tiene un mayor potencial para su aplicación en los
semiconductores, ya que es más compatible con su arquitectura de hoy en
día, lo que potencialmente puede ser utilizado en la sala de temperatura
y se pueden adaptar para diferentes aplicaciones mediante el ajuste de
su espesor.
"Este trabajo nos informa de la importancia de buscar continuamente
otros nuevos materiales con propiedades físicas novedosas para su uso en
transistores y para otras aplicaciones", dijo Stephen Wilson, profesor
asistente de los materiales en la Universidad de California, Santa
Bárbara, que preparó el materiales de muestra.
Investigadores participantes eran de Boston College, la Universidad del
Noreste, SSRL de SLAC y el Instituto Stanford para Materiales y
Ciencias de la Energía (SIMES), del Laboratorio Nacional Lawrence
Berkeley, la Universidad de Pekín en China, Hiroshima Radiación
Sincrotrón Center en Japón y la Universidad de California en Santa
Bárbara.
El trabajo fue apoyado por el Boston College, la Fundación Nacional de
Ciencia de Estados Unidos, la Fundación WM Keck y la oficina de la GAMA
de Energía de Ciencias Básicas.
