Ny undersøgelse afslører udfordringer, som designere af fremtidige computerchips står over for

At bygge fremtidens computerchips, designere bliver nødt til at forstå, hvordan en elektrisk ladning opfører sig, når den er begrænset til metalledninger med kun få atombredder i diameter.

Nu, et team af fysikere ved McGill University, i samarbejde med forskere ved General Motors R&D, har vist, at elektrisk strøm kan reduceres drastisk, når ledninger fra to forskellige metaller mødes. Den overraskende kraftige reduktion i strøm afslører en betydelig udfordring, der kunne forme materialevalg og enhedsdesign inden for det nye område af nanoelektronik.

Størrelsen af ​​funktioner i elektroniske kredsløb falder hvert år, takket være den aggressive miniaturisering foreskrevet af Moores lov, som postulerede, at tætheden af ​​transistorer på integrerede kredsløb ville fordobles hver 18. måned eller deromkring. Denne konstante fremgang gør det muligt at bære rundt på computere i vores lommer, men giver alvorlige udfordringer. Efterhånden som trækstørrelserne falder til niveauet af atomer, modstanden mod strømmen øges ikke længere med en konstant hastighed, efterhånden som enheder krymper; i stedet hopper modstanden rundt, " viser de kontraintuitive virkninger af kvantemekanik, siger McGill fysikprofessor Peter Grütter.

"Du kunne bruge analogien med en vandslange, " forklarer Grütter. "Hvis du holder vandtrykket konstant, der kommer mindre vand ud, da du reducerer slangens diameter. Men hvis du skulle krympe slangen til størrelsen af ​​et sugerør, kun to eller tre atomer i diameter, udstrømningen ville ikke længere falde med en hastighed, der er proportional med slangens tværsnitsareal; det ville variere på en kvantiseret ('springende') måde."

Denne "kvanteunderlighed" er præcis, hvad McGill og General Motors-forskerne observerede, som beskrevet i et nyt papir, der udkommer i Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskerne undersøgte en ultra-lille kontakt mellem guld og wolfram, to metaller, der i øjeblikket bruges i kombination i computerchips til at forbinde forskellige funktionelle komponenter i en enhed.

På den eksperimentelle side af forskningen, Prof. Grütters laboratorium brugte avancerede mikroskopiteknikker til at afbilde en wolframsonde og guldoverflade med atomær præcision, og at bringe dem sammen mekanisk på en præcist kontrolleret måde. Den elektriske strøm gennem den resulterende kontakt var meget lavere end forventet. Mekanisk modellering af denne kontakts atomare struktur blev udført i samarbejde med Yue Qi, en forsker ved General Motors R&D Center i Warren, MI.

Avanceret elektrisk modellering af Jesse Maassen i professor Hong Guos McGill Physics-forskningsgruppe bekræftede dette resultat, viser, at uligheder i elektronisk struktur mellem de to metaller fører til et firedobbelt fald i strømstrømmen, selv for en perfekt grænseflade. Forskerne fandt desuden ud af, at krystaldefekter - forskydninger af det normalt perfekte arrangement af atomer - genereret ved at bringe de to materialer i mekanisk kontakt var en yderligere årsag til den observerede reduktion af strømmen.

"Størrelsen af ​​dette fald er langt større, end de fleste eksperter ville forvente - i størrelsesordenen 10 gange større, " bemærker prof. Grütter.

Resultaterne peger på et behov for fremtidig forskning i måder at overvinde denne udfordring, eventuelt gennem materialevalg eller andre forarbejdningsteknikker. "Det første skridt mod at finde en løsning er at være opmærksom på problemet, " bemærker Grütter. "Det er første gang, at det er blevet påvist, at dette er et stort problem" for nanoelektroniske systemer."