Nové materiály pro počítač budoucnosti

Milan Radović je vědecký pracovník na SIS-Beamline (Spektroskopie rozhraní a povrchů) v Swiss Light Source. Studoval aplikovanou fyziku na Univerzitě v Bělehradu v Srbsku, kde také zahájil svou výzkumnou kariéru na Oddělení atomové fyziky. V roce 2009 získal doktorát na Univerzitě v Neapoli v Itálii. V roce 2003 byl pozván k výkonu dvojího úvazku na EPFL ve Švýcarsku a v PSI, kde je od roku 2013 vědeckým pracovníkem. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Milan Radovic a Eduardo Bonini Guedes (vpravo) ze skupiny pro spektroskopii kvantových materiálů na svazkové lince SIS v Swiss Light Source SLS. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Milan Radovic a Eduardo Bonini Guedes ze skupiny pro spektroskopii kvantových materiálů na svazkové lince SIS v Swiss Light Source. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Nové materiály by mohly revolucionalizovat počítačovou techniku. Výzkumníci z Ústavu Paula Scherera PSI dosáhli důležitého milníku při zkoumání pomocí synchrotronového světelného zdroje Švýcarsko SLS.

Microprocesory jsou vyrobeny ze silikonu a fungují na základě fyzikálního principu polovodiče. Na tom se nic nezměnilo od doby, kdy byl v amerických Bellových laboratořích v roce 1947 vynalezen tranzistor. Výzkumníci od té doby opakovaně předpovídali konec éry silikonu – a mýlili se. Technologie založená na silikonu žije dál a rychle se vyvíjí. Nedávno představil IT gigant IBM první mikroprocesor, jehož tranzistorové struktury jsou pouze dva nanometry malé, což je tolik, jako když vedle sebe položíte 20 atomů. Co přijde potom? Ještě menší struktury? Pravděpodobně ano – alespoň v tomto desetiletí.

Současně se v laboratořích utvářejí nápady na novou technologii, která by mohla všechno převrátit naruby, co jsme dosud o mikroelektronice věděli. Jedním z jasných příkladů je tým Milana Radovice. Dnes představil Milan Radovic z Ústavu Paula Scherera v časopise Communication Physics pozoruhodný výsledek výzkumu transparentních oxidů (TO), který by mohl otevřít dveře k této nové technologii.

Nové mikroprocesory

Radovic a jeho spolupracovníci Muntaser Naamneh a Eduardo Guedes spolu s týmem Bharat Jalan z University of Minnesota v USA pracují nikoli s křemíkem, ale s oxidy přechodových kovů (TMO). Ukazují neobvyklé a multifunkční jevy, jako je vysokoteplotní supravodivost, kolosální magnetoresistivní efekt, přechod kov-izolátor a mnoho dalšího. To, co se na první pohled může laikovi zdát matoucí, slibuje obrovský pokrok v technologii čipů budoucnosti.

Ve své práci k aktuálnímu vydání se vědci zaměřují na oxid barnatého zinečnatého (BaSnO3), který spojuje optickou průhlednost s vysokou elektrickou vodivostí.

Už nějakou dobu se vědci snaží z oxidů přechodových kovů a speciálně průhledných oxidů, jako jsou BaSnO3 a SrSnO3, získat vlastnosti podobné polovodičům. Ve srovnání se silikony by to mělo průlomové výhody pro optoelektronické prvky: s těmito průhlednými a vodivými tzv. perovskity by bylo možné vytvářet spínací prvky, jejichž elektronické vlastnosti jsou přímo spojeny s optickými vlastnostmi. To by umožnilo tranzistory, které by šly spínat světlem.

Klíčové je znalost o rozhraních

Všechny mikroprocesory jsou složeny z kombinací různých materiálů. Pro jejich funkci je důležité vědět, co se děje v tenkých rozhraních mezi těmito materiály. Na jejich povrchu mají některé materiály úplně jiné fyzikální vlastnosti než uvnitř. Ve skutečnosti mohou na hranicích materiálů vznikat exotické fáze hmoty – poznání, za které získali tři britští fyzici Nobelovu cenu za fyziku v roce 2016. Nyní publikovaný příspěvek popisuje významný pokrok v porozumění elektronickým vlastnostem povrchu BaSnO3.

K tomu byla použita spektroradiometrie s úhlovým rozlišením pomocí fotoemise na jednom z lineárních svazků synchrotronového světelného zdroje Švýcarsko SLS, „aby odhalila dvourozměrný elektronický stav u BaSnO3, který otevírá nové perspektivy pro tuto třídu materiálů“, zdůrazňuje Eduardo Guedes.

Ideální podmínky pro spektroskopii na SLS

Že se tento výsledek podařil právě v PSI, není náhoda. Výzkumníci v PSI mají laboratoř specializovanou na výrobu, modifikaci a úplné zkoumání takových tenkých filmů. Navíc nabízí SLS nejlepší podmínky pro průzkum látek s vysokým místním a časovým rozlišením. Takové spektroskopické metody jsou specialitou Švýcarského výzkumného centra. Na světě existují pouze tři místa, kde jsou splněny všechny tyto podmínky současně. Kromě toho je třeba vhodné znalosti a výkonná výzkumná infrastruktura. „V PSI spojujeme a vytváříme porozumění s experimentálními schopnostmi,“ říká Radovic. Výzkumníci nyní chtějí zjistit, jaké další látky vykazují podobné vlastnosti a mohou být potenciálními kandidáty pro optické mikroprocesory budoucnosti.

Silikonová technologie tak ale nepatří do starého železa, zdůrazňuje Milan Radovic. Je vysoce rozvinutá a výkonná. „Ale technologie založená na oxidových materiálech přechodových kovů je výkonnější a rozmanitější – její čas přijde.“