p Uma nova pesquisa da FLEET confirma o potencial dos materiais topológicos para reduzir substancialmente a energia consumida pela computação. p A colaboração de pesquisadores da FLEET da Universidade de Wollongong, Monash University e UNSW mostraram em um estudo teórico que o uso de isoladores topológicos em vez de semicondutores convencionais para fazer transistores poderia reduzir a tensão da porta pela metade, e a energia usada por cada transistor por um fator de quatro.

p Para conseguir isso, eles tiveram que encontrar uma maneira de superar a famosa 'tirania de Boltzmann' que coloca um limite inferior na energia de comutação do transistor.

p Eles encontraram um resultado surpreendente:a tensão de porta aplicada a um isolador topológico poderia criar uma barreira ao fluxo de elétrons maior do que a própria tensão vezes a carga do elétron, um resultado anteriormente considerado impossível.

p A missão do Centro de Excelência em Tecnologias Eletrônicas de Baixa Energia do Futuro (FLEET) da ARC é reduzir a carga de energia insustentável da tecnologia da informação e computação (TIC), agora consome cerca de 10% da eletricidade global.

p Transistores:eles não estão apenas no rádio do galpão do vovô

p Os chips de computador contêm bilhões de transistores - minúsculos interruptores elétricos que realizam as operações básicas de comutação da computação.

p Os transistores individuais hoje têm apenas 5 nanômetros de diâmetro (5 milionésimos de milímetro).

p Os transistores usam uma tensão aplicada a um eletrodo de 'porta' para ligar e desligar a corrente que flui entre os eletrodos de 'fonte' e 'dreno'. A energia usada para carregar o eletrodo da porta é jogada fora cada vez que cada transistor é ligado e desligado. Um computador típico tem literalmente bilhões de transistores ligando e desligando bilhões de vezes a cada segundo, somando muita energia.

p Os transistores convencionais são feitos de semicondutores, materiais que possuem um 'bandgap' ou uma gama de energias dentro das quais os elétrons são proibidos. A ação da voltagem aplicada à porta é mover esta gama de energias proibidas para permitir (o estado 'ligado') ou bloquear (o estado 'desligado') as energias nas quais os elétrons que chegam estão se movendo da fonte para a drenagem.

p Em um transistor ideal, 1 volt aplicado à porta aumentaria a faixa de energias bloqueadas por 1 elétron-volt.

p O vazamento 'Tyranny' coloca um limite inferior na energia de comutação

p Qual é o tamanho da barreira necessária para o transistor operar corretamente?

p O problema é que as energias dos elétrons provenientes da fonte são inerentemente "borradas" em temperatura finita, portanto, sempre há alguns elétrons com energia suficientemente alta para atravessar a barreira. Esta corrente de 'fuga' leva ao desperdício de energia.

p As considerações termodinâmicas básicas exigem que, para reduzir a corrente por um fator de 10, seja necessário aumentar a barreira em cerca de 60 mili-elétron-volts à temperatura ambiente. Mas, para evitar o desperdício de energia através da corrente de fuga, é necessário que a corrente seja reduzida por um fator de cerca de 100, 000, ou uma barreira de cerca de 300 mili-elétron-volts, que requer uma tensão de porta de pelo menos 300 mili-volts.

p Essa tensão mínima da porta coloca um limite inferior na energia de comutação.

p Isso é chamado de 'tirania de Boltzmann' em homenagem a Ludwig Boltzmann, que descreveu a mancha das energias das partículas pela temperatura.

p Acredita-se que a tirania de Boltzmann limita o quão pequena a tensão da porta de operação pode ser para um transistor, não importa de que material seja feito.

p Superando o limite de Boltzmann com novos materiais

p Os pesquisadores do FLEET estavam curiosos para saber se um efeito diferente poderia ser usado para fazer uma barreira para o fluxo de elétrons em um transistor.

p Em alguns materiais, um campo elétrico pode alterar o tamanho do bandgap. Eles se perguntaram se o campo elétrico devido à voltagem aplicada a um eletrodo de porta poderia ser usado para expandir o bandgap e criar uma barreira para os elétrons. A resposta é sim, mas, para materiais típicos, esse efeito não supera a tirania de Boltzmann:1 volt aplicado ao portão ainda só pode fazer uma barreira não maior do que 1 elétron-volt.

p Os pesquisadores decidiram olhar para uma classe especial de materiais chamados isolantes topológicos, que têm um bandgap que é efetivamente negativo.

p "Isoladores topológicos finos (bidimensionais) são isolantes em seu interior, mas conduza ao longo de suas bordas, "explica o autor principal Muhammad Nadeem (Universidade de Wollongong)." Nesse estado, eles podem funcionar como o estado 'ligado' de um transistor, com a corrente transportada pelas bordas condutoras. "

p "O bandgap de um isolador topológico também pode ser alterado por um campo elétrico, "diz Nadeem." Quando se torna positivo, o material não é mais um isolante topológico, e não tem mais bordas condutoras, agindo como um semicondutor normal, com o bandgap agindo como uma barreira ao fluxo de elétrons (o estado 'desligado'). "

p Contudo, a equipe de pesquisa descobriu que, ao contrário de um semicondutor regular, o aumento no bandgap (em elétron-volts) no isolador topológico pode ser maior do que a tensão aplicada à porta (em volts), vencendo a tirania de Boltzmann.

p "Os materiais topológicos corretos podem comutar em tensões da metade do tamanho de um transistor convencional semelhante, o que exigiria apenas um quarto da energia, "diz o co-investigador Dimi Culcer (UNSW).

p Para onde vamos a partir daqui?

p Muitos desafios permanecem. O estudo é, por enquanto, apenas teórico. O co-investigador Xiaolin Wang (UOW) diz que "alguns dos materiais candidatos, como o bismuteno, uma camada espessa de um único átomo de bismuto disposta em uma estrutura de favo de mel, mal começaram a ser estudados em laboratório, e ainda não foram transformados em transistores. "

p Outros materiais ainda estão na prancheta e ainda não se sabe como sintetizá-los. "Contudo, "diz o co-investigador Michael Fuhrer (Monash), "os pesquisadores da FLEET estão trabalhando duro para fazer esses novos materiais, caracterizá-los, e incorporá-los em dispositivos eletrônicos. "