Elektronky jsou tu zase – a v plné parádě

Časopis Nature Communications přinesl informace o práci vědců z Kalifornské univerzity v San Diegu, kteří použili technologii vakuové trubice pro přípravu účinnějších počítačových procesorů a vytvořili první bezpolovodičové opticky řízené mikroelektronické zařízení. Pomocí speciální zlaté nanostruktury vyvinul tým tamní Skupiny aplikované elektroniky elektronky nové generace s vysokou účinností. Jejich výzkum by mohl vést mj. k rychlejším a výkonnějším mikroelektronickým zařízením schopným pracovat s větší energií a lepším solárním panelům.

Od elektronek k tranzistorům a zpět
Obvykle jsou elektronky, které tvořily základní stavební prvky počítačů na počátku 20. století chápány jako primitivní předchůdci moderního tranzistoru, a počítače postavené s jejich použitím zabíraly celé místnosti nebo budovy. Vynález tranzistoru v polovině 20. století umožnil stavět počítače mnohem menší, a otevřel cestu pro počítačovou revoluci z konce 20. století. S ohledem na tyto okolnosti je proto za pravděpodobně největší vynález v historii moderní techniky považován právě tranzistor. Ovšem ani tranzistory nejsou úplně dokonalé a schopnosti stávajících mikroelektronických zařízení jsou omezeny vlastnostmi jejich základních materiálů - materiály vyrobeny s využitím polovodičů, mají i několik nevýhod. Mohou být vyrobeny jen tak malé, jak jim to dovolují fyzikální zákony, a tam jsou také horní hranice jejich efektivity. A těchto limitů začínáme nyní dosahovat, takže výrobci elektronických součástek hledají alternativy, které by tyto bariéry umožnily překonat. Jedna skupina výzkumníků se nechala inspirovat pohledem zpět - na klasické elektronky a oprášením některých jejich výhod.
Když proud prochází polovodičem, musí projít pevným materiálem, který zpomaluje proud a omezuje účinnost. Polovodiče mají proto tzv. pásmovou mezeru, což znamená, že vyžadují podporu vnější energie, aby se elektrony přes toto pásmo dostaly, a jejich rychlost je omezená, protože při svém průchodu neustále kolidují s atomy. Elektronky tento problém nemají, protože v jejich případě proud prochází vzduchem. Vytvoření miniaturní elektronky by tak mohlo zvýšit účinnost elektroniky. Nicméně, nezbytnou součástí jsou pro vakuové trubice volné elektrony ve vzduchu, které je obtížné vytvořit v řádu nanometrů. Obvykle je k osvobození elektronů z materiálů zapotřebí vysoké napětí (alespoň 100 V) nebo výkonné lasery a extrémně vysoké teploty (více než 1000 °C), což je v případě elektronických zařízení v mikro- a nanoměřítku nepraktické.

Cesta vede přes metamateriály
Týmu univerzitních výzkumníků, v jehož čele byl profesor elektrotechniky Dan Sievenpiper, se podařilo překonat tuto překážku pomocí tzv. metamateriálů. Vědci vytvořili zařízení v mikroměřítkové škále, umožňující uvolňovat elektrony z materiálu bez těchto extrémních požadavků. Zařízení se skládá ze speciálně upravené plochy, označované jako metapovrch. Plocha je tvořena v horní části křemíkovým plátkem s vrstvou oxidu křemičitého, na které jsou umístěny zlaté nanostruktury připomínající hříbky na řadách paralelních zlatých pásů. Zlatý metapovrch je navržen tak, že je-li použito nízké stejnosměrné napětí (do 10 V) a současně infračervený laser s nízkým výkonem, generuje metapovrch „hot spots" místa s vysokou intenzitou elektrického pole, poskytující dostatek energie k vytažení elektronů z kovu a jejich uvolnění do prostoru.
Výsledkem je 10násobné zvýšení účinnosti, a tranzistory, které mohou pracovat s vyšším výkonem a menším odporem, než ty, které používají dnešní klasické polovodiče. Zkoušky prováděné na zařízení vykazovaly 1000% změnu vodivosti, což podle vědců znamená, že k dispozici je více elektronů pro manipulaci s nimi.
Výzkumníci nicméně upozorňují, že tento konkrétní metapovrch byl navržen jako prototyp a různé metapovrchy budou muset být optimalizovány pro různé typy mikroelektronických zařízení. Nové řešení podle nich také určitě nenahradí všechny polovodičové součástky, ale může být nejlepším přístupem pro určité speciální aplikace, jako je např. využití velmi vysokých frekvencí nebo u zařízení pracujících s vysokými energiemi. Následujícím krokem je pro vědce další zmenšení těchto elektronek a prozkoumání možností jejich aplikací. Pokud se jejich výzkum podaří, počítače budoucnosti mohou být mnohem menší - pomocí technologie z doby před sto lety...

Publikováno: 31. 1. 2017 | Počet zobrazení: 2405 392