Et revolutionerende materiale til rumfart og neuromorfisk databehandling

Først kom omskifteren. Derefter transistoren. Nu står en anden innovation for at revolutionere den måde, vi styrer elektronstrømmen gennem et kredsløb:vanadiumdioxid (VO2). En nøgleegenskab ved denne forbindelse er, at den opfører sig som en isolator ved stuetemperatur, men som en leder ved temperaturer over 68°C. Denne adfærd - også kendt som metal-isolator overgang - bliver undersøgt i et ambitiøst EU Horizon 2020-projekt kaldet Phase-Change Switch. EPFL blev valgt til at koordinere projektet efter en udfordrende udvælgelsesproces.

Projektet vil vare indtil 2020. På grund af den række af højpotentielle applikationer, der kunne komme ud af denne nye teknologi, projektet har tiltrukket to store virksomheder - Thales fra Frankrig og den schweiziske afdeling af IBM Research - samt andre universiteter, herunder Max-Planck-Gesellschaft i Tyskland og Cambridge University i Storbritannien. Gesellschaft für Angewandte Mikro- og Optoelektronik (AMO GmbH), en spin-off fra Aachen University i Tyskland, deltager også i forskningen.

Forskere har længe kendt til de elektroniske egenskaber ved VO2, men har ikke været i stand til at forklare dem, før de ved. Det viser sig, at dets atomare struktur ændrer sig, når temperaturen stiger, overgang fra en krystallinsk struktur ved stuetemperatur til en metallisk ved temperaturer over 68°C. Og denne overgang sker på mindre end et nanosekund - en reel fordel for elektronikapplikationer. "VO2 er også følsom over for andre faktorer, der kan få det til at ændre faser, ved at indsprøjte elektrisk strøm, optisk, eller ved at påføre en THz-strålingsimpuls, "siger Adrian Ionescu, EPFL-professoren, der leder skolens Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) og også fungerer som Phase-Change Switch-projektkoordinator.

Udfordringen:at nå højere temperaturer

Imidlertid, at frigøre det fulde potentiale af VO2 har altid været vanskelig, fordi dens overgangstemperatur på 68°C er for lav til moderne elektroniske enheder, hvor kredsløb skal kunne køre fejlfrit ved 100°C. Men to EPFL forskere - Ionescu fra School of Engineering (STI) og Andreas Schüler fra School of Architecture, Civil and Environmental Engineering (ENAC) - kan have fundet en løsning på dette problem, ifølge deres fælles forskning offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver i juli 2017. De fandt ud af, at tilføjelse af germanium til VO2 -film kan løfte materialets faseændringstemperatur til over 100 ° C.

Endnu mere interessante resultater fra Nanolab - især til radiofrekvensapplikationer - blev offentliggjort i IEEE adgang den 2. februar 2018. For første gang nogensinde forskere var i stand til at lave ultrakompakte, modulerbare frekvensfiltre. Deres teknologi bruger også VO2 og faseskiftekontakter, og er særligt effektiv i det frekvensområde, der er afgørende for rumkommunikationssystemer (Ka-båndet, med programmerbar frekvensmodulation mellem 28,2 og 35 GHz).

Neuromorfe processorer og autonome køretøjer

Disse lovende opdagelser vil sandsynligvis anspore til yderligere forskning i anvendelser af VO2 i elektroniske enheder med ultra-lav effekt. Ud over rumkommunikation, andre områder kunne omfatte neuromorfisk databehandling og højfrekvente radarer til selvkørende biler.