Datorer och liknande elektroniska enheter har blivit snabbare och mindre under decennierna eftersom datorchipstillverkare har lärt sig hur man krymper individuella transistorer, de små elektriska strömbrytarna som förmedlar digital information.

Forskarnas strävan efter den minsta möjliga transistorn har gjort att fler av dem kan packas på varje chip. Men det kapplöpningen mot botten är nästan över:Forskare närmar sig snabbt det fysiska minimum för transistorstorlek, med nyare modeller ner till cirka 10 nanometer – eller bara 30 atomer – breda.

"Bearbetningskraften hos elektroniska enheter kommer från hundratals miljoner, eller miljarder, av transistorer som är sammankopplade på ett enda datorchip, " sa Dr Kyeongjae Cho, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Texas i Dallas. "Men vi närmar oss snabbt de nedre skalgränserna."

För att utöka strävan efter snabbare bearbetningshastighet, mikroelektronikindustrin letar efter alternativa tekniker. Chos forskning, publicerad online 30 april i tidskriften Naturkommunikation , kan erbjuda en lösning genom att utöka transistorns vokabulär.

Konventionella transistorer kan bara förmedla två värden av information:Som en switch, en transistor är antingen på eller av, som översätts till 1:or och 0:or i binärt språk.

Ett sätt att öka bearbetningskapaciteten utan att lägga till fler transistorer skulle vara att öka hur mycket information varje transistor förmedlar genom att införa mellanliggande tillstånd mellan på- och avlägen för binära enheter. En så kallad multi-value logic transistor baserad på denna princip skulle möjliggöra fler operationer och en större mängd information att bearbetas i en enda enhet.

"Konceptet med flervärdeslogiska transistorer är inte nytt, och det har gjorts många försök att göra sådana anordningar, " sa Cho. "Vi har gjort det."

Genom teori, design och simuleringar, Chos grupp vid UT Dallas utvecklade den grundläggande fysiken för en logisk flervärdestransistor baserad på zinkoxid. Deras medarbetare i Sydkorea tillverkade och utvärderade framgångsrikt prestandan hos en prototypenhet.

Chos enhet kan ha två elektroniskt stabila och pålitliga mellantillstånd mellan 0 och 1, öka antalet logiska värden per transistor från två till tre eller fyra.

Cho sa att den nya forskningen är viktig inte bara för att tekniken är kompatibel med befintliga datorchipkonfigurationer, men också för att det skulle kunna överbrygga ett gap mellan dagens datorer och kvantdatorer, nästa potentiella landmärke inom datorkraft.

Medan en konventionell dator använder de exakta värdena på 1:or och 0:or för att göra beräkningar, de grundläggande logiska enheterna i en kvantdator är mer flytande, med värden som kan existera som en kombination av 1:or och 0:or samtidigt eller var som helst däremellan. Även om de ännu inte har realiserats kommersiellt, storskaliga kvantdatorer är teoretiserade för att kunna lagra mer information och lösa vissa problem mycket snabbare än nuvarande datorer.

"En enhet som innehåller flernivålogik skulle vara snabbare än en konventionell dator eftersom den skulle fungera med mer än bara binära logiska enheter. Med kvantenheter, du har kontinuerliga värderingar, " sa Cho.

"Transistorn är en mycket mogen teknik, och kvantdatorer är inte i närheten av att kommersialiseras, " fortsatte han. "Det finns en enorm klyfta. Så hur går vi från det ena till det andra? Vi behöver någon form av evolutionär väg, en överbryggande teknologi mellan binära och oändliga frihetsgrader. Vårt arbete är fortfarande baserat på befintlig enhetsteknologi, så det är inte lika revolutionerande som kvantberäkning, men det utvecklas mot den riktningen."

Tekniken som Cho och hans kollegor utvecklade använder en ny konfiguration av två former av zinkoxid kombinerade för att bilda ett sammansatt nanolager, som sedan inkorporeras med lager av andra material i ett supergitter.

Forskarna upptäckte att de kunde uppnå den fysik som behövs för flervärdeslogik genom att bädda in zinkoxidkristaller, kallas kvantprickar, till amorf zinkoxid. Atomerna som består av ett amorft fast ämne är inte lika styvt ordnade som de är i kristallina fasta ämnen.

"Genom att konstruera detta material, vi fann att vi kunde skapa en ny elektronisk struktur som möjliggjorde detta flernivålogikbeteende, sa Cho, som har ansökt om patent. "Zinkoxid är ett välkänt material som tenderar att bilda både kristallina fasta ämnen och amorfa fasta ämnen, så det var ett självklart val att börja med, men det kanske inte är det bästa materialet. Vårt nästa steg kommer att titta på hur universellt detta beteende är bland andra material när vi försöker optimera tekniken.

"Går vidare, Jag vill också se hur vi kan koppla den här tekniken till en kvantenhet."