Norėtumėte, kad jūsų išmanusis telefonas nekaistų? Tada meskit lauk jo švaistūniškus silicio lustus ir vietoje jų naudokite staneno supergreitkelius.
Kokie glotnūs mūsų išmanieji bebūtų iš išorės, viduje trukdžių netrūksta. Jų procesoriuose informaciją pernešantys elektronai juda ne itin spėriai. „Kietoje medžiagoje elektronai juda kaip sausakimšame turguje, trankydamiesi į nešvarumus“, – sako Shouchengas Zhangas, fizikas iš Stanfordo universiteto Kalifornijoje.
Jeigu jūsų telefonas, regis, degina skylę delne, ar vėl išleido kvapą vos po kelių valandų nuo įkrovimo, labiausia dėl to kaltas šis elektronų nerangumas. Kiekvienas elektronų susidūrimas kuria šilumą. Ankštoje integruotųjų schemų nelaisvėje pašalinė šiluma tampa praktiškai neapeinama problema. Negalint pakankamai greitai šios šilumos pašalinti, tai tampa pagrindiniu mažesnių lustų, galinčių atlikti daugiau, vystymo stabdžiu.
Elektrą be skleidžiamos šilumos galinti perduoti medžiaga būtų didžiulis palengvinimas. Ilgiau nei šimtmetį fizikai masino inžinierius būtent tokio dalyko viltimis: superlaidininkais. Bet dauguma superlaidininkų veikia tik temperatūrose, artimose absoliučiam nuliui. Nepaisant dedamų pastangų, tebesame tik kambario temperatūroje veikiančių superlaidininkų sukūrimo pusiaukelėje.
Zhango atsakas yra nauja medžiagų klasė – topologiniai izoliatoriai. Pirmą kartą jie buvo pagaminti 2007 m. Kaip rodo pavadinimas, iš esmės jie yra elektros izoliatoriai – išskyrus paviršių, kur elektronai gali judėti laisvai. Šiems elektronams judant šalia paviršiaus atomų, pasireiškia kvantinis sukinio orbitos suporavimo reiškinys, neleidžiantis elektronui atlikti U formos posūkio ar nugrimzti į medžiagos gilumą. Tad jie priverčiami zuiti viena medžiagos puse į vieną pusę ir kita pusę – atgal. Palyginus su elektronų judėjimu dabartiniuose prietaisuose, sako Zhangas „tie elektronai juda lyg greitkeliu ar autobanu“.
Nors tikriausiai ne itin saugiu. Iki šiol topologiniuose izoliatoriuose elektronai gali nardyti tarp „eismo juostų“ ir taip išskirti šilumą – nebent jie atvėsinami iki beveik absoliutaus nulio.
Stanenas galėtų išlaikyti elektronų judėjimą tiesų ir siaurą. Kaip ir labiau pagarsėjęs jo pusbrolis grafenas, jis yra „dvimatis“ cheminio elemento – šiuo atveju, alavo, – vieno atomo storio sluoksnis. Toks plonumas pildomai apriboja elektronų judėjimą, tad šiems nelieka nieko kito, kaip tik laigyti pirmyn ir atgal medžiagos pakraščiais netgi kambario temperatūroje. Tai gali būti tinkama medžiaga nulinio šilumos išskyrimo procesorių jungtyse, o taip pat būti puikiausia termoelektrine medžiaga.
Bent jau teorijoje. Kol kas stanenas egzistuoja tik popieriuje, nors sklando gandai, kad greitai bus paskelbta apie jo susintetinimą. Jeigu veiks kaip prognozuojama, Zhango manymu, topologiniai izoliatoriai gali pasirodyti didžiojoje scenoje ir mūsų prietaisuose. „Jei būčiau optimistas, sakyčiau po penkių metų. Jeigu realistas – po 10“ svarsto Zhangas.
Tik lieka klausimas, ar galime tiek laukti mėnesių mėnesius išliekančio įkrautu telefono?
Paieška archyve
