Co by było, gdyby kluczową właściwość układu scalonego można było zaprojektować… w przestrzeni? Gdyby zamiast szukać nowego, egzotycznego związku chemicznego, wystarczyło odpowiednio wygiąć ten, który już znamy? Brzmi trochę jak technologiczna abstrakcja, ale oto właśnie japońscy naukowcy pokazali, że jest to możliwe, a ich eksperyment otwiera drzwi do zupełnie innego myślenia o elektronice, gdzie geometria komponentu przestaje być tylko opakowaniem, a staje się jego funkcją.
Badacze z RIKEN Center for Emergent Matter Science udowodnili, że fizyczne skręcenie kryształu w nanoskali może zamienić go w działającą diodę. To nie jest drobne ulepszenie. To zmiana samego paradygmatu projektowania, gdzie kształt zyskuje rangę porównywalną z wewnętrzną budową materiału. Na stole pojawiła się więc odważniejsza koncepcja, bo oto zamiast wyłącznie ścigać się na rozmiar, naukowcy chcą zacząć traktować samą geometrię elementów jako narzędzie projektowe. Nie tylko dobrać materiał i domieszkowanie, ale też świadomie wyrzeźbić go tak, by wymuszał określony sposób poruszania się elektronów. W praktyce oznacza to wkroczenie w świat elektroniki przestrzennej, w której wysokość, skręt czy krzywizna struktury stają się równie istotne, jak jej skład chemiczny.
Nowa droga dla prądu, czyli jak helikalna struktura steruje elektronami?
Cała sztuka polegała na precyzyjnym uformowaniu materiału. Zespół wykorzystał zaawansowaną technikę rzeźbienia przy pomocy skupionej wiązki jonów, by z topologicznego magnetyku (związku kobaltu, cyny i siarki) stworzyć mikroskopijne, spiralne kształty. Dokładność tej metody jest kluczowa, bo pozwala modelować trójwymiarowe obiekty w skali submikronowej, nie naruszając przy tym jakości krystalicznej struktury.
Czytaj też: Miedź upokorzona. Elektronika się gotuje, a azotek tantalu w fazie theta ją ratuje
Efekt okazał się niezwykle praktyczny, bo ukształtowane w ten sposób helisy zaczęły zachowywać się jak diody, czyli elementy przewodzące prąd łatwiej w jednym kierunku niż w przeciwnym. Zjawisko to (zwane nienawzajemnym transportem elektrycznym) wynika z nierównomiernego rozpraszania elektronów na zakrzywionych ściankach urządzenia. Co ważne, technika nie jest ograniczona do jednego materiału, bo można ją zastosować do szerokiej gamy związków krystalicznych, a to znacząco poszerza pole do dalszych eksploracji.
Nienawzajemny transport elektryczny jest pojęciem, które z perspektywy klasycznej elektroniki brzmi abstrakcyjnie, a w praktyce daje bardzo namacalne efekty. Można go porównać do jednokierunkowej ulicy dla elektronów: w jedną stronę ruch odbywa się bez większych przeszkód, a w drugą napotyka na naturalne korki i tym samym rozpraszanie. W tradycyjnych diodach taki efekt wynika głównie z właściwości złącza półprzewodnikowego, a tutaj jego źródłem staje się sam kształt ścieżki, którą musi pokonać ładunek. Helikalna geometria wprowadza coś w rodzaju asymetrycznego toru przeszkód, którego ustawienie można odwracać razem z namagnesowaniem materiału.
To powiązanie geometrii, magnetyzmu i przepływu prądu otwiera ciekawe możliwości szczególnie tam, gdzie liczy się możliwość szybkiego przełączania stanów przy minimalnym zużyciu energii. Przykładowo, w pamięciach lub układach logicznych przyszłości poszczególne bity mogłyby być zakodowane nie tylko w stanie namagnesowania, ale też w konfiguracji przestrzennej elementu: lewo- lub prawoskrętna helisa staje się fizyczną reprezentacją różnych stanów logicznych. Taki zapis jest z natury trójwymiarowy, więc teoretycznie pozwala upakować więcej funkcji na mniejszej kubaturze niż klasyczne, płaskie tranzystory.
Czytaj też: Szkło z radioaktywnych odpadów. Nie zgadniesz, gdzie trafi paskudna spuścizna USA
Dla inżynierów półprzewodników ważne jest z kolei to, że użyta metoda jest narzędziem zakorzenionym w realnym zapleczu przemysłu. Skupiona wiązka jonów od lat służy do precyzyjnego wycinania przekrojów pod mikroskopy elektronowe czy do lokalnych poprawek na gotowych strukturach. Tutaj ta sama technika zostaje awansowana do rangi głównego narzędzia projektowego, bo zamiast tylko obserwować materiał, naukowcy świadomie go kształtują, traktując kryształ jak blok kamienia, z którego wydobywa się docelową formę. Różnica polega na skali, bo zamiast dłuta i młotka mamy tutaj wiązkę jonów prowadzoną z dokładnością do setnych części mikrometra.
Odwracalność jako fundament praktyki, czyli geometria w roli przełącznika
Najciekawszą i najbardziej obiecującą z praktycznego punktu widzenia cechą jest pełna odwracalność efektu. Kierunek przewodzenia w takiej geometrycznej diodzie można zmienić na dwa sposoby: albo odwracając namagnesowanie samego materiału, albo po prostu zmieniając kierunek skrętu helisy. Interesujące jest też sprzężenie zwrotne, bo silny impuls elektryczny jest w stanie samodzielnie odwrócić ten stan namagnesowania.
Traktując geometrię jako źródło łamania symetrii na równi z wewnętrznymi właściwościami materiału, możemy projektować nienawzajemny transport elektryczny na poziomie urządzenia. Nasza nowo opracowana metoda nanorzeźbienia skupioną wiązką jonów otwiera szerokie spektrum badań nad tym, jak trójwymiarowe i zakrzywione geometrie urządzeń mogą być wykorzystane do realizacji nowych funkcji elektronicznych – tłumaczy Max Birch, współautor badania.
Warto zwrócić uwagę, że w tej wizji elektroniki projektant przestaje być wyłącznie chemikiem w fabryce układów, a zaczyna działać także jak architekt przestrzeni. Do dotychczasowego zestawu narzędzi (wyboru materiału, stopnia domieszkowania, geometrii ścieżek na płaskiej warstwie) dochodzi bowiem zupełni nowy wymiar swobody: modelowanie krzywizn, skrętów i grubości elementów w głąb. W dłuższej perspektywie może to doprowadzić do powstania całkiem nowego języka opisu układów, w którym funkcje logiczne i pamięciowe wiąże się nie tylko z symbolami w schemacie, ale też z konkretnymi motywami geometrycznymi. To z kolei dobrze wpisuje się w szerszy trend odchodzenia od klasycznej, drutowanej elektroniki na rzecz struktur, w których materia sama narzuca sposób przepływu ładunku.
Perspektywy i realia. Długa droga od laboratorium do smartfona
Jeżeli takie podejście uda się doprowadzić do etapu seryjnej produkcji, to może ono stać się jednym z brakujących elementów układanki po wyhamowaniu klasycznego prawa Moore’a. Zamiast kurczowo trzymać się coraz drobniejszych litografii, część innowacji mogłaby zostać przeniesiona na poziom inżynierii kształtu. Wykorzystywalibyśmy więc te same materiały i podobne skale geometryczne, ale nadalibyśmy im zupełnie nowe funkcje realizowane dzięki zakrzywionym trajektoriom ruchu elektronów.
W krótszej perspektywie podobne rozwiązania mogą znaleźć niszowe, ale znaczące zastosowania tam, gdzie klasyczne diody czy tranzystory zawodzą, a więc w ekstremalnych warunkach temperaturowych, w silnych polach magnetycznych lub tam, gdzie kluczowa jest integracja z niekonwencjonalnymi materiałami, na przykład elementami pamięci opartej na zjawiskach topologicznych. Skręcona helisa z kobaltu, cyny i siarki sama w sobie nie zastąpi jeszcze krzemowego tranzystora, ale pokazuje, że przestrzenna wyobraźnia może być równie ważna dla przyszłych konstruktorów elektroniki, jak znajomość tabelki z parametrami materiałów.
Czytaj też: Silnik napędzany ciekłym metalem. Ta konstrukcja nie przypomina żadnego znanego napędu
Nawet jeśli za kilka lat okaże się, że konkretna koncepcja z tej pracy nie trafia wprost do smartfonów czy serwerowni, to eksperyment pozostawi po sobie coś równie cennego: sposób myślenia. Świadomość, że kawałek kryształu można potraktować jak miniaturową rzeźbę o ściśle zaprojektowanej funkcji elektrycznej, będzie wracała w kolejnych projektach. W tym sensie skręcenie kryształu w nanoskali jest nie tylko ciekawostką fizyczną, ale także symbolicznym gestem, który odgina nasze przyzwyczajenia od płaskich schematów ku naprawdę trójwymiarowej mikroelektronice.