Исследователи из Института физики твёрдого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) объявили о начале работы над созданием уникального типа наноструктур для цифровой электроники. По словам учёных, новая технология позволит не только увеличить скорость работы умных устройств, но и значительно снизить энергопотребление для таких структур, как серверы и майнинговые фермы.
В основе перспективной разработки – модернизация существующей системы проводников. Учёные намерены заменить привычные полупроводники как в гаджетах, так и в компьютерах и ноутбуках, на сверхпроводники – материалы, у которых отсутствует электрическое сопротивление.
В современных решениях в области цифровой электроники широко используются сверхпроводящие металлы, разделённые тонким барьером из диэлектрика, через который протекает сверхпроводящий ток. Подавляющее большинство известных материалов (ими являются некоторые элементы, сплавы, керамики и их соединения) проявляют сверхпроводящие свойства при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 ̊C). Были открыты материалы, которым для перехода в сверхпроводящее состояние достаточно температуры кипения жидкого азота (-196 ̊C) и даже более высоких значений, однако использование сверхпроводников при комнатных условиях остаётся недостижимым.
Однако в Институте физики твёрдого тела уверены в возможности достижении нулевого сопротивления при комнатной температуре. В качестве компонентов два тонких провода из сверхпроводящего материала будут помещены в изоляцию из диэлектрика – так же, как и любой обычный провод. Разделённые тонким слоем диэлектрика, при температуре выше перехода в сверхпроводящее состояние два провода надёжно изолированы друг от друга, однако если оба металла перейдут в сверхпроводящее состояние, то сопротивление изолятора также станет нулевым. В итоге ток пойдёт сквозь диэлектрик так же, как через сверхпроводник, благодаря эффекту Джозефсона, ещё называемого туннельным эффектом.
Учёные в ходе исследований решили заменить диэлектрик на ферромагнетик – металл, обладающий способностью к намагничиванию при отсутствии внешнего магнитного поля. Так как при нулевом сопротивлении сверхпроводников ферромагнетик имеет ненулевое сопротивление, он фактически также является изолятором. По словам учёных, замена диэлектрика на ферромагнетик позволила им добиться уникальных свойств проводника: благодаря новому соотношению между сверхпроводящим током и фазой на переходе появилась возможность манипулировать барьером с помощью магнитного поля, то есть создать магнитную память.
В рамках исследования в ИФТТ РАН ведётся разработка наноструктуры субмикронных размеров для применения в миниатюрных логических устройствах. В перспективе новая технология позволит создавать электронные устройства, быстродействие которых будет в десятки раз выше, чем у актуальных гаджетов при гораздо меньшем энергопотреблении.
Профессор Валерий Рязанов, заведующий лабораторией ИФТТ РАН и руководитель исследования, рассказал журналистам:
«Энергоэффективность систем на основе наноструктур, которые мы разрабатываем, на пять порядков выше, чем у полупроводниковых систем. Это значит, что дата-серверы и серверы майнинговых компаний, потребляющие невероятные объёмы энергии, станут во много раз экономичнее».
По словам учёного, опытные образцы наноструктур лаборатория планирует представить к 2021 году. Работа специалистов ИФТТ РАН поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований.
