Nowe materiały dla komputera przyszłości

Milan Radović jest pracownikiem naukowym na linii promieniowania SIS (Spectroscopy of Interfaces and Surfaces) w Synchrotron Light Source Szwajcarii SLS. Studiował fizykę stosowaną na Uniwersytecie w Belgradzie, Serbia, gdzie rozpoczął również swoją karierę naukową w Katedrze Fizyki Atomowej. Stopień doktora uzyskał na Uniwersytecie w Neapolu. W 2009 roku został zaproszony do objęcia wspólnego stanowiska na EPFL w Lozannie i w PSI. Od 2013 roku jest pracownikiem naukowym w PSI. (Zdjęcie: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Milan Radović jest pracownikiem naukowym na linii promieniowania Spectroscopy of Interfaces and Surfaces (SIS), Swiss Light Source. Studiował fizykę stosowaną na Uniwersytecie w Belgradzie, Serbia, gdzie rozpoczął również swoją karierę naukową w Katedrze Fizyki Atomowej. W 2009 roku uzyskał stopień doktora na Uniwersytecie w Neapolu, Włochy. W 2003 roku został zaproszony do objęcia wspólnego stanowiska na EPFL w Lozannie i w PSI, gdzie pracuje jako pracownik naukowy od 2013 roku. (Zdjęcie: Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic)

Milan Radović i Eduardo Bonini Guedes (z prawej) z grupy Spektroskopii Materiałów Kwantowych na linii wiązkowej SIS w Szwajcarskim Źródle Światła SLS. (Zdjęcie: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Milan Radović i Eduardo Bonini Guedes z grupy Spektroskopii Materiałów Kwantowych na linii wiązkowej SIS w Szwajcarskim Źródle Światła SLS. (Zdjęcie: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Nowe materiały mogą zrewolucjonizować technologię komputerową. Badacze z Instytutu Paula Scherera PSI osiągnęli ważny kamień milowy na drodze do tego celu, prowadząc badania za pomocą źródła światła synchrotronowego SLS w Szwajcarii.

Mikroukłady składają się z krzemu i działają na zasadzie fizycznej półprzewodnika. Nic się od tego nie zmieniło od czasu wynalezienia tranzystora w amerykańskich Bell Labs w 1947 roku. Od tamtej pory badacze wielokrotnie przepowiadali koniec ery krzemu – i mylili się. Technologia oparta na krzemie żyje, rozwija się błyskawicznie. Niedawno koncern IT IBM zaprezentował pierwszy mikroprocesor, w którym struktury tranzystorów mają zaledwie dwa nanometry, tyle co 20 atomów ułożonych obok siebie. Co będzie potem? Jeszcze mniejsze struktury? Prawdopodobnie tak – przynajmniej w tym dziesięcioleciu.

Równocześnie w laboratoriach badawczych kształtują się pomysły na nową technologię, która może wywrócić do góry nogami wszystko, co do tej pory sądziliśmy o mikroelektronice. Jednym z jasnych przykładów tego jest zespół Milan Radovic. Dziś Milan Radovic z Instytutu Paula Scherera w Communication Physics przedstawił sensacyjny wynik badań nad przezroczystymi tlenkami (TO), które mogą szeroko otworzyć drzwi do tej nowej technologii.

Nowatorskie mikroczipy

Radovic i jego współpracownicy Muntaser Naamneh oraz Eduardo Guedes, wraz z grupą Bharat Jalan z Uniwersytetu Minnesoty w USA, nie pracują z krzemem, lecz z tlenkami z metali przejściowych (TMO). Pokazują niezwykłe i wielofunkcyjne zjawiska, takie jak nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, kolosalny efekt magnetoresistancyjny, przejście metal-izolator i wiele innych. To, co na pierwszy rzut oka może wydawać się mylące dla laików, obiecuje ogromne postępy w technologii chipów przyszłości.

W swojej pracy nad najnowszym wydaniem skupiają się na tlenku baru-zinu (BaSnO3), który łączy optyczną przezroczystość z wysoką przewodnością elektryczną.

Od pewnego czasu badacze próbują wywołać właściwości półprzewodnikowe z tlenków z metali przejściowych, a także specjalnych przezroczystych tlenków, takich jak BaSnO3 i SrSnO3. W porównaniu do krzemu, miałoby to rewolucyjne zalety dla elementów optoelektronicznych: dzięki tym przezroczystym i przewodzącym tlenkom zwanymi perowskitami możliwe byłyby elementy przełączające, w których właściwości elektroniczne są bezpośrednio powiązane z właściwościami optycznymi. W ten sposób można by wyobrazić sobie tranzystory, które można włączać światłem.

Wiedza o granicach warstw jest kluczowa

Wszystkie mikroczipy składają się z kombinacji różnych materiałów. Ważne jest, aby wiedzieć, co dzieje się w cienkich warstwach granicznych między tymi materiałami. Na ich powierzchni niektóre materiały mają zupełnie inne właściwości fizyczne niż w ich wnętrzu. Faktycznie, na granicach materiałów mogą powstawać egzotyczne fazy materii – odkrycie to przyniosło trzem brytyjskim fizykom Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2016 roku. Opisywany artykuł przedstawia znaczne postępy w zrozumieniu właściwości elektronowych powierzchni BaSnO3.

W tym celu zastosowano spektrroskopię fotoemisji z rozdzielczością kątową na linii wiązki światła synchrotronowego SLS, «aby odkryć dwuwymiarowy stan elektroniczny w BaSnO3, który otwiera nowe perspektywy dla tej klasy materiałów», podkreśla Eduardo Guedes.

Najlepsze warunki do spektroskopii na SLS

To, że ten wynik udało się osiągnąć właśnie w PSI, nie jest przypadkiem. Badacze z PSI dysponują laboratorium specjalizującym się w wytwarzaniu, modyfikacji i pełnym badaniu cienkich filmów. Ponadto PSI z SLS zapewnia najlepsze warunki do badania substancji z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową. Takie metody spektroskopowe są specjalnością szwajcarskiego centrum badawczego. Na świecie istnieją tylko trzy miejsca, które spełniają wszystkie te warunki jednocześnie. Potrzebna jest także odpowiednia wiedza i zaawansowana infrastruktura badawcza. «W PSI łączymy i tworzymy wiedzę z umiejętnościami eksperymentalnymi», mówi Radovic. Badacze chcą teraz dowiedzieć się, które inne substancje wykazują podobne właściwości i mogą być potencjalnymi kandydatami na optyczne mikroczipy przyszłości.

Technologia krzemu nie należy jednak do przeszłości, podkreśla Milan Radovic. Jest ona wysoko rozwinięta i wydajna. «Ale technologia oparta na tlenkach z metali przejściowych jest bardziej wydajna i wszechstronna – nadejdzie jej czas.»