Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Northeastern ανακάλυψαν πώς να αλλάζουν την ηλεκτρονική κατάσταση της ύλης κατ’ απαίτηση, μια πρωτοποριακή εξέλιξη που θα μπορούσε να κάνει τα ηλεκτρονικά 1.000 φορές πιο γρήγορα και αποδοτικά.
Ηλεκτρονική κατάσταση με ένα «κλικ»
Αλλάζοντας από μονωτικό σε αγώγιμο και αντίστροφα, η ανακάλυψη δημιουργεί την προοπτική αντικατάστασης των πυριτιούχων στοιχείων στα ηλεκτρονικά με κβαντικά υλικά που είναι εκθετικά μικρότερα και ταχύτερα.
«Οι επεξεργαστές λειτουργούν τώρα σε gigahertz», δήλωσε ο Alberto de la Torre, επίκουρος καθηγητής φυσικής και κύριος συγγραφέας της έρευνας. «Η ταχύτητα αλλαγής που θα επέτρεπε αυτό θα οδηγούσε σε terahertz».
Η τεχνική της θερμικής ψύξης
Μέσω ελεγχόμενης θέρμανσης και ψύξης, μια τεχνική που ονομάζουν «thermal quenching», οι ερευνητές κατάφεραν να κάνουν ένα κβαντικό υλικό να εναλλάσσεται ανάμεσα σε μεταλλική αγώγιμη και μονωτική κατάσταση. Αυτές οι καταστάσεις μπορούν να αναστραφούν άμεσα με την ίδια τεχνική.
Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Physics, αποτελεί σημαντική εξέλιξη για τους επιστήμονες υλικών και το μέλλον της ηλεκτρονικής: άμεσος έλεγχος στο αν ένα υλικό αγωγεί ή μονώνει το ηλεκτρικό ρεύμα.
Κβαντικά υλικά και το μέλλον της τεχνολογίας
Το φαινόμενο μοιάζει με τη λειτουργία ενός τρανζίστορ που αλλάζει ηλεκτρονικά σήματα. Όπως τα τρανζίστορ επέτρεψαν στους υπολογιστές να γίνουν μικρότεροι, από μηχανές μεγέθους δωματίων μέχρι το κινητό που κρατάς στην τσέπη σου, έτσι και ο έλεγχος των κβαντικών υλικών μπορεί να μεταμορφώσει την ηλεκτρονική, εξηγεί ο Gregory Fiete, καθηγητής φυσικής στο Northeastern.
«Όλοι έχουν βιώσει την επιθυμία κάτι να φορτώσει γρηγορότερα», λέει ο Fiete. «Δεν υπάρχει τίποτα ταχύτερο από το φως, και χρησιμοποιούμε το φως για να ελέγξουμε τις ιδιότητες των υλικών με την ταχύτερη δυνατή ταχύτητα που επιτρέπει η φυσική».
Σταθερή αγωγιμότητα σε πρακτικές θερμοκρασίες
Με το να φωτίζουν το κβαντικό υλικό 1T-TaS₂ κοντά σε θερμοκρασία δωματίου, οι ερευνητές πέτυχαν μια «κρυφή μεταλλική κατάσταση», που μέχρι τώρα ήταν σταθερή μόνο σε πολύ ψυχρές θερμοκρασίες. Τώρα, η κατάσταση αυτή μπορεί να διατηρηθεί για μήνες, κάτι που δεν έχει επιτευχθεί ποτέ ξανά.
«Μία από τις μεγάλες προκλήσεις είναι πώς να ελέγχεις τις ιδιότητες ενός υλικού κατά βούληση», λέει ο Fiete. «Στόχος μας είναι ο απόλυτος έλεγχος των ιδιοτήτων του υλικού, με ταχύτητα και απόλυτη βεβαιότητα, γιατί αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί σε μια συσκευή».
Μια νέα εποχή για τα ηλεκτρονικά
Μέχρι σήμερα, οι ηλεκτρονικές συσκευές χρειάζονταν τόσο αγώγιμα όσο και μονωτικά υλικά, με καλά σχεδιασμένες διεπαφές μεταξύ τους. Αυτή η ανακάλυψη επιτρέπει τη χρήση ενός μόνο υλικού που ελέγχεται με το φως για να αγωγεί ή να μονώνει.
«Καταργούμε μια από τις μηχανικές προκλήσεις βάζοντας τα πάντα σε ένα υλικό», αναφέρει ο Fiete. «Και αντικαθιστούμε τη διεπαφή με το φως, σε μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών».
Η έρευνα επεκτείνει προηγούμενες μελέτες που χρησιμοποιούσαν υπέρ-γρήγορους παλμούς λέιζερ για προσωρινές αλλαγές στην αγωγιμότητα, οι οποίες όμως διαρκούσαν ελάχιστα και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Η σταθερή εναλλαγή αγωγιμότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες αποτελεί σημαντική πρόοδο για την κβαντική μηχανική και το μακροπρόθεσμο όραμα αντικατάστασης ή συμπλήρωσης της τεχνολογίας πυριτίου.
«Βρισκόμαστε σε σημείο όπου για να πετύχουμε σημαντική βελτίωση στην αποθήκευση πληροφορίας ή στην ταχύτητα λειτουργίας, χρειαζόμαστε ένα νέο παράδειγμα», λέει ο Fiete. «Η κβαντική υπολογιστική είναι ένας δρόμος και η καινοτομία στα υλικά είναι ένας άλλος. Αυτό είναι το νόημα αυτής της εργασίας».
Περισσότερες πληροφορίες: Alberto de la Torre et al, Δυναμική μετάβαση φάσης σε 1T-TaS2 μέσω θερμικής απόσβεσης, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02938-1 . Στο arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2407.07953
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Physics , arXiv
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο Northeastern
