Kalifornijos universiteto Berklyje (JAV) inžinieriai parodė, jog įmanoma sumažinti minimalią įtampą, reikalingą tam, kad būtų išlaikytas kondensatoriaus krūvis. Šis pasiekimas galėtų padėti sumažinti šiuolaikinių elektronikos prietaisų energijos sąnaudas ir išskiriamą šilumos kiekį.
Kalifornijos universiteto Berklyje (JAV) inžinieriai parodė, jog įmanoma sumažinti minimalią įtampą, reikalingą tam, kad būtų išlaikytas kondensatoriaus krūvis. Šis pasiekimas galėtų padėti sumažinti šiuolaikinių elektronikos prietaisų energijos sąnaudas ir išskiriamą šilumos kiekį.
„Visai kaip Formulės 1 bolidų atveju, kuo spartesnis kompiuteris, tuo jis labiau kaista, – pasakoja minėtojo universiteto elektros inžinerijos ir kompiuterio mokslų magistrantas Asifas Kanas (Asif Khan). – Taigi norint turėti spartų mikroprocesorių reikia optimizuoti jo tranzistorių energijos sąnaudas. Deja, tranzistoriaus maitinimo įtampa, kažkiek primenanti automobilių degalus, maždaug jau dešimtmetį dėl fundamentalių fizikos dėsnių užstrigo ties 1 volto atžyma. Tranzistoriai energijos suvartojimo atžvilgiu nepasiekė tokios ribos, kuri būtina norint patenkinti nuolat augančių kompiuterinių pajėgumų poreikį. Visa tai lemia nestabilų mikroprocesorių galios augimą. Manome, jog galime pakeisti šią situaciją“.
A. Kanas, dirbantis asistuojančio elektros inžinerijos ir kompiuterijos mokslų profesoriaus Saifo Salahudino (Sayeef Salahuddin) laboratorijoje, nuo 2008 metų sėkmingai įsiliejo į projektą, kuriuo siekiama padidinti tranzistorių efektyvumą.
Tyrėjai išnaudoja ferolektrikų – medžiagų, sugebančių savaime poliarizuotis – savybes. Šie dariniai išlaiko elektrinį krūvį nesant išorinei įtampai, be to, elektrinės poliarizacijos kryptį galima pakeisti išoriniu lauku.
Inžinieriai pirmąkart parodė, jog kondensatoriuje, kuris sudarytas iš feroelektriko ir dielektriko poros, esant tam tikrai įtampai sukauptas krūvis gali išaugti. Šis reiškinys vadinamas neigiamąja talpa.
Mokslininkų komandą savo rezultatus paskelbė rugsėjo 12 dienos žurnalo „Applied Physics Letters“ numeryje. Aprašytasis eksperimentas paruošia dirvą esminiam tranzistorių patobulinimui.
„Šis darbas leidžia neigiamąją talpą panaudoti kaip pagrindinį šiuolaikinių tranzistorių patobulinimo strategijos elementą, – pasakoja S. Salahudinas, pirmasis dar būdamas studentas kartu su inžinerijos profesoriumi Suprijumi Data (Supriyo Datta) iš Perdju universiteto (JAV) teoriškai numatęs neigiamosios talpos egzistavimą feroelektrinėse medžiagose. – Jeigu mes tai galėtume panaudoti gerokai mažiau energijos suvartojančių, tačiau lygiai tokios pačios spartos tranzistorių sukūrimui, kompiuterių pramonė pasikeistų iš esmės.“
Tyrėjai feroelektrinę medžiagą švino cirkonio titanatą sudėjo kartu su dielektriku stroncio titanatu, kad sukurtų dvisluoksnį darinį. Tuomet šią struktūrą ir pavienį stroncio titanato sluoksnį paveikė įtampa, kad galėtų palyginti abiejuose dariniuose susikaupusį krūvį.
„Lyginant su dielektriko rezultatais, feroelektriniame darinyje aptikome dvigubą krūvio padidėjimą, kuris dar gali būti ir ne riba“, – teigia profesorius.
Nuo pirmųjų komercinių kompiuterių pasirodymo prieš daugiau nei 40 metų į kompiuterinį lustą sutalpinamų tranzistorių skaičius kas dvejus metus vis dvigubėjo. Tokią tendenciją numatė vienas iš kompanijos gigantės „Intel“ įkūrėjų Gordonas Mūras (Gordon Moore). Integruotosios grandinės, kadaise sudarytos iš tūkstančių tranzistorių, dabar konstruojamos iš milijardų komponentų.
Tačiau mažėjančios apimtys, deja, nereiškė proporcingą suvartojamos energijos mažėjimą. Esant kambario temperatūrai tam, kad tranzistoriumi tekančios srovės kiekis padidėtų 10 kartų, reikia patiekti mažiausiai 60 milivoltų įtampą. Kaip teigia tyrėjai, kadangi skirtumas tarp tranzistoriaus veikos ir neveikos būsenų turi būti aiškus, prireikia mažiausiai 1 volto įtampos.
„Mes pasiekėme uolos kraštą, – situacija apibūdina A. Kanas. – Mikroprocesorių dažnis nebedidėja nuo 2005 metų, o mažinti tranzistorius darosi nepaprasti sudėtinga.“
Tyrėjai pažymi, jog vis sunkiau išsklaidyti mažesnių komponentų išskiriamą šilumą, tad didėja tikimybė, jog dar mažesni elementai paprasčiausiai perkais.
S. Salahudinas su savo komanda siūlo modifikuoti dabartinius tranzistorius, kad į šių konstrukciją būtų įtraukta feroelektrinių medžiagų. Šis pokytis turėtų leisti sukurti didesnius krūvininkų kiekius esant mažesnei įtampai. Tokiu atveju inžinieriai sukonstruotų mažiau šilumos išskiriančius tranzistorius, be to, būtų galima toliau mažinti šį kompiuterio komponentą.
Paminėtina tai, kad minėtųjų mokslininkų nagrinėta sistema pasižymi tokiu efektu esat didesnei nei 200 °C temperatūrai, o tai kur kas daugiau už dabartinių mikroprocesorių veikimo temperatūrą (apie 85 °C).
Dabar tyrėjai bando surasti naujų feroelektrinių medžiagų, pasižyminčių neigiamąją talpa kambario temperatūroje.
Profesorius pažymi, jog feroelektrikai elektronikoje gali būti itin plačiai pritaikyti. „Tai tinkama sistema dinaminėms laisvosios kreipties atmintinėms, energijos kaupimo įrenginiams, superkondensatoriams bei galios kondensatoriams, naudojamiems radijo dažnio komunikacijose“.
