Ny FLEET-forskning bekräftar potentialen för topologiska material att avsevärt minska den energi som förbrukas av datorer.

Samarbetet mellan FLEET-forskare från University of Wollongong, Monash University och UNSW har visat i en teoretisk studie att användning av topologiska isolatorer snarare än konventionella halvledare för att göra transistorer kan minska gate-spänningen med hälften, och energin som används av varje transistor med en faktor fyra.

För att åstadkomma detta, de var tvungna att hitta ett sätt att övervinna det berömda "Boltzmanns tyranni" som sätter en lägre gräns för transistoromkopplingsenergi.

De hittade ett överraskande resultat:grindspänning som appliceras på en topologisk isolator kan skapa en barriär för elektronflöde som är större än själva spänningen gånger elektronladdningen, ett resultat som man tidigare trodde var omöjligt.

Uppdraget för ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) är att minska den ohållbara energibelastningen av informations- och datorteknik (IKT), förbrukar nu cirka 10 % av den globala elektriciteten.

Transistorer:De är inte bara i farfars skjul radio

Datorchips innehåller miljarder transistorer - små elektriska omkopplare som utför de grundläggande omkopplingsoperationerna för datoranvändning.

Individuella transistorer idag är så små som 5 nanometer i diameter (5 miljondelar av en millimeter).

Transistorer använder en spänning som appliceras på en "gate"-elektrod för att slå på och av strömmen som flyter mellan "source" och "drain"-elektroder. Energin som används för att ladda upp grindelektroden kastas bort varje gång varje transistor slås på och av. En typisk dator har bokstavligen miljarder transistorer som slås på och av miljarder gånger varje sekund, lägga till mycket energi.

Konventionella transistorer är gjorda av halvledare, material som har ett "bandgap" eller en rad energier inom vilka elektroner är förbjudna. Funktionen av spänningen som appliceras på grinden är att flytta detta område av förbjudna energier för att tillåta (på-tillståndet) eller blockera (av-tillståndet) de energier vid vilka inkommande elektroner rör sig från källa till avlopp.

I en idealisk transistor, 1 volt som appliceras på grinden skulle flytta uppåt i energiområdet som blockeras av 1 elektronvolt.

Läckage "Tyranny" sätter en lägre gräns för att byta energi

Hur stor barriär behövs för att transistorn ska fungera korrekt?

Problemet är att energierna hos elektronerna som kommer från källan "smetas ut" vid ändlig temperatur, så det finns alltid ett fåtal elektroner med tillräckligt hög energi för att ta sig över barriären. Denna "läckström" leder till slöseri med energi.

Grundläggande termodynamiska överväganden kräver att för att reducera strömmen med en faktor 10 krävs en höjning av barriären med cirka 60 milli-elektronvolt vid rumstemperatur. Men för att undvika slöseri med energi via läckström krävs att strömmen minskas med en faktor på cirka 100, 000, eller en barriär på cirka 300 milli-elektronvolt, som kräver en grindspänning på minst 300 millivolt.

Denna lägsta grindspänning sätter en lägre gräns för omkopplingsenergin.

Detta kallas 'Boltzmanns tyranni' efter Ludwig Boltzmann som beskrev utsmetandet av partiklars energier genom temperatur.

Boltzmanns tyranni tros begränsa hur liten operationsgatespänningen kan vara för en transistor, oavsett vilket material den är gjord av.

Att övervinna Boltzmanns gräns med nya material

Forskare inom FLEET var nyfikna på om en annan effekt kunde användas för att skapa en barriär för elektronflöde i en transistor.

I vissa material, ett elektriskt fält kan ändra storleken på bandgapet. De undrade om det elektriska fältet på grund av spänning som appliceras på en grindelektrod kunde användas för att utöka bandgapet och skapa en barriär för elektroner. Svaret är ja, men för typiska material slår denna effekt inte Boltzmanns tyranni:1 volt applicerad på grinden kan fortfarande bara göra en barriär som inte är större än 1 elektronvolt.

Forskarna bestämde sig för att titta på en speciell klass av material som kallas topologiska isolatorer, som har ett bandgap som är effektivt negativt.

"Tunna (tvådimensionella) topologiska isolatorer isolerar i sitt inre, men uppför längs deras kanter, " förklarar huvudförfattaren Muhammad Nadeem (University of Wollongong). "I detta tillstånd kan de fungera som "på"-tillståndet för en transistor, med ström som bärs av de ledande kanterna."

"Bandgapet för en topologisk isolator kan också ändras av ett elektriskt fält, " säger Nadeem. "När det blir positivt, materialet är inte längre en topologisk isolator, och har inte längre ledande kanter, fungerar ungefär som en vanlig halvledare, med bandgapet som fungerar som en barriär för elektronflöde (av-tillståndet)."

Dock, forskargruppen fann att till skillnad från en vanlig halvledare, ökningen av bandgapet (i elektronvolt) i den topologiska isolatorn kan vara större än spänningen som appliceras på grinden (i volt), slå Boltzmanns tyranni.

"Rätt topologiska material kan växla vid spänningar som är hälften så stora som en liknande konventionell transistor, som bara skulle kräva en fjärdedel av energin, säger medutredaren Dimi Culcer (UNSW).

Vart härifrån?

Många utmaningar kvarstår. Studien är för närvarande endast teoretisk. Medutredaren Xiaolin Wang (UOW) säger "en del av kandidatmaterialen som vismuten, ett enda atomtjockt lager av vismut arrangerat i en bikakestruktur, har bara börjat studeras i laboratoriet, och har ännu inte gjorts till transistorer."

Andra material finns fortfarande på ritbordet och det är ännu inte känt hur man syntetiserar dem. "Dock, " säger medutredaren Michael Fuhrer (Monash), "Forskare inom FLEET arbetar hårt för att göra dessa nya material, karakterisera dem, och integrera dem i elektroniska enheter."