| 0 |
|
Результат на екрані комп'ютера здавався помилкою. Пізно вночі у 2009 році Нейт Орлофф (Nate Orloff) наодинці працював у лабораторії, аналізуючи вимірювання експериментальних тонких плівок. Те, що він побачив тієї ночі, започаткувало наукову подорож завдовжки у 17 років, яка завершилася сенсаційним відкриттям.
Група дослідників із провідних наукових інститутів США оголосила про успішне створення діелектрика з унікальними властивостями: він має наднизькі втрати енергії та водночас піддається налаштуванню. Результати дослідження опубліковані в науковому журналі Nature Electronics. Це досягнення вирішує одну з найскладніших проблем у сфері мікрохвильової електроніки
Понад два десятиліття розробники бездротової електроніки стикалися з компромісом: матеріал міг бути або настроюваним (змінювати свої електричні властивості під дією напруги), або ефективним (не втрачати енергію у вигляді тепла). Поєднання цих двох властивостей дозволило б кардинально покращити компоненти для безслівної навігації, радарів, супутників та систем зв'язку.
У той час як більшість наукових груп з 1999 року фокусувалися на традиційних сполуках, команда під керівництвом професора Корнелльського університету Даррелла Шлома (Darrell Schlom) пішла іншим шляхом. Вони взялися за дослідження шаруватих кристалічних структур, так званих фаз Раддлесдена-Поппера. «Наша команда була єдиною, хто працював із цими "божевільними структурами Раддлесдена-Поппера", які більшість вважала глухим кутом», - згадує Шлом.
Згідно з тогочасними уявленнями про симетрію кристалів, ці матеріали мали мінімальні втрати енергії, але вважалися абсолютно непридатними для динамічного налаштування.
У 2009 році Нейт Орлофф (нині фізик з Національного інституту стандартів і технологій США, NIST) під час розробки нової методики вимірювань виявив, що один зі зразків плівок (титанат стронцію складу Sr4Ti3O10 все ж змінює свої властивості. Проте перше відкриття мало суттєвий недолік: ефект проявлявся лише у горизонтальній площині (вздовж плівки). Для реальних комерційних пристроїв, таких як мікроконденсатори, потрібна була вертикальна орієнтація електричного поля. Це дозволило б створювати компактні чіпи.
Щоб обійти закони природи, фізики вирішили штучно змінити внутрішню симетрію матеріалу. Використовуючи теоретичні розрахунки покійного професора Крейга Фенні (Craig Fennie), команда вчених буквально «переписала» внутрішні правила кристала, пошарово додавши шари кам'яної солі. Матеріал нарешті продемонстрував потрібну вертикальну (позаплощинну) сегнетоелектрику.
На шляху до успіху вчені ледь не здалися. Коли нову структуру почали тестувати на надвисоких частотах, необхідних для сучасного зв'язку, металеві електроди та елементи самого випробувального стенда почали спотворювати сигнал. Дані перетворилися на незрозумілий цифровий шум. «Ми не могли інтерпретувати дані. Все почалося з величезного захоплення, а закінчилося глибоким розпачем», — ділиться Орлофф.
Щоб урятувати проєкт, знадобилося кілька років. Співробітники NIST розробили інноваційний метод метрології. Вони застосували несподівано просте рішення: виміряли «порожнечу» - контрольну металеву пластину з абсолютно такою ж топологією, як у пристрою. Це дозволило відняти завади від вимірювального стенда й виокремити чистий відгук матеріалу.
Експерименти підтвердили: новий матеріал поєднує високу здатність до налаштування та рекордно низькі втрати енергії у вертикальній геометрії. Ба більше, його властивості виявилися надзвичайно однорідними. Це критично важливо для масового виробництва, адже компанії мають бути впевнені, що мікросхеми, виготовлені в різні дні, працюватимуть абсолютно однаково.
Застосування винаходу можливо для створення високоефективних електрооптичних модуляторів, які перетворюють електричні сигнали на оптичні (основа магістральних мереж), у настроюваних фільтрах та компонентах для квантових інформаційних систем, для створення потужніших та енергоефективніших супутникових антен й радарів.
«Створення надзвичайних матеріалів — це лише половина справи. Довести, що вони працюють, вимагає не менш видатних вимірювань. Магія командної роботи полягає в тому, що вона об'єднує можливості для досягнення немислимого», — підсумував професор Даррелл Шлом.
Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI
| 0 |
|
