Установлен скоростной предел для сверхбыстрых электрических переключений

Исследователи из SLAC National Accelerator Laboratory измерили время возможного наиболее быстрого электрического переключения в магнетите, естественном магнитном минерале. Их результаты могут стимулировать инновации в миниатюрных транзисторах, которые управляют током в кремниевых чипах, и привести к более быстрым и мощным вычислительным устройствам.

Ученые, используя когерентное излучение рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source (LCLS ), обнаружили, что требуется только одна триллионная секунды, чтобы переключить электрический выключатель в образцах магнетита, что в тысячи раз быстрее, чем в используемых сегодня транзисторах.

«Это исследование впервые продемонстрировало «скоростной предел» для коммутации электрических цепей в этом материале», - сказал Рупали Кукрейя (Roopali Kukreja), научный сотрудник SLAC и Стэнфордского университета, который является ведущим автором исследования.

Эксперимент LCLS также показал, как электронная структура образца перестраивается в непроводящие «островки», окруженные электропроводящими областями, которые начали формироваться всего через пару сотен квадриллионных секунды после лазерного импульса, облучившего образец. Исследование показывает, как такие проводящие и непроводящие состояния могут сосуществовать и создавать электрические пути в транзисторах следующего поколения.

Ученые впервые облучили каждый образец видимым светом лазера, который фрагментировал электронную структуру материала на атомном уровне, перестроив ее в форме островков. Лазерное облучение состояло из ультраярких ультракоротких рентгеновских импульсов, что позволило исследователям впервые осуществить хронометраж и выяснить детали изменений в образце, возбужденном лазерным облучением.

Слегка регулируя интервал следования рентгеновских импульсов, они точно измерили, сколько времени потребовалось материалу, чтобы перейти от непроводящего состояния к проводящему, и смогли наблюдать структурные изменения в течение этого перехода.

Ученые работали в течение многих десятилетий, чтобы определить электрическую структуру на атомном уровне, и только в прошлом году другая исследовательская группа выявила ее строительные блоки - «тримероны» (trimerons) - образованные тремя атомами железа. Это открытие явилось ключом в интерпретации результатов эксперимента LCLS.

Магнетит приходилось охлаждать до -190 градусов по Цельсию, чтобы зафиксировать его электрические заряды на их местах, так что следующим шагом является изучение более сложных материалов в диапазоне комнатных температур, сказал Кукрейя. Дальнейшие эксперименты будут направлены на выявление экзотических соединений и тестирования новых методов, чтобы вызвать переключение и обнаружить другие свойства, которые обеспечат преимущества будущих кремниевых транзисторов.

Герман Дюрр (Hermann Dürr), главный исследователь LCLS-эксперимента и старший научный сотрудник Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES), сказал, что во всем мире ведутся исследования с целью преодолеть ограничения современных полупроводниковых транзисторов посредством использованием новых материалов, чтобы удовлетворить спрос на меньшие и более быстрые компьютеры, и LCLS обладает уникальной способностью стать центром в изучении процессов, которые происходят на атомной шкале.

«В то время как основные магнитные свойства магнетита были известны в течение тысяч лет, эксперимент показал, сколько еще можно узнать о более экзотических электронных свойствах магнетита и других более сложных материалов с помощью LCLS», - сказал Дюрр.

Оптический лазерный импульс (красная полоса из правого верхнего угла) разрушает упорядоченную электронную структуру (синий) в непроводящем образце магнетита, переключая материал в проводящий (красный) за одну триллионную секунды

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365