Τα chips πλησιάζουν στο απόλυτο όριο — και οι επιστήμονες βρήκαν μια έξυπνη λύση

Φαντάσου το πιο δυνατό smartphone που έχεις. Τώρα σμίκρυνε όλα τα εξαρτήματά του στο μέγεθος μερικών ατόμων. Αυτό ακριβώς προσπαθούν να κάνουν οι κατασκευαστές chips σήμερα. Και να σου πω την αλήθεια; Τα πράγματα δυσκολεύουν.

Το πρόβλημα με το πυρίτιο

Το πυρίτιο κυβερνά τον κόσμο των υπολογιστών εδώ και δεκαετίες. Υπάρχει άφθονο, το καταλαβαίνουμε καλά, ξέρουμε πώς να δουλεύουμε με αυτό. Αλλά έχουμε φτάσει στα όριά του. Σε ατομικό επίπεδο, το πυρίτιο αρνείται πεισματικά να γίνει μικρότερο χωρίς να δημιουργεί προβλήματα. Είναι σαν να προσπαθείς να χωρέσεις σε παντελόνια δύο νούμερα μικρότερα. Θεωρητικά γίνεται, αλλά κανείς δεν το χαίρεται.

Οπότε οι ερευνητές ψάχνουν εναλλακτικά υλικά που να κάνουν περισσότερα σε λιγότερο χώρο. Οι πιο ελπιδοφόρες επιλογές; Μια οικογένεια υλικών που ονομάζονται διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων. Ένα από αυτά είναι το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου — τόσο λεπτό που αποτελείται ουσιαστικά από τρία άτομα στοιβαγμένα. Σκέψου ένα μικροσκοπικό σάντουιτς: μια στρώση μολυβδαινίου ανάμεσα σε δύο στρώσεις θείου.

Το πρόβλημα της ατομικής χειρουργικής

Εδώ τα πράγματα περιπλέκονται. Για να φτιάξουν χρήσιμα ηλεκτρονικά από αυτά τα απίστευτα λεπτά υλικά, οι κατασκευαστές πρέπει μερικές φορές να αφαιρέσουν μόνο την επάνω στρώση ατόμων θείου, χωρίς να αγγίξουν τίποτα άλλο. Σαν να κάνεις χειρουργική επέμβαση σε ένα μόνο στρώμα κυττάρων, χωρίς να πειράξεις αυτά από κάτω.

Το τυπικό εργαλείο για τέτοια ατομική δουλειά είναι το πλάσμα — η ενεργειακή κατάσταση της ύλης που συναντάς στα αστέρια και τις λάμπες νέον. Τα σωματίδια του πλάσματος μπορούν να στοχεύσουν επιφάνειες και να αποκολλήσουν άτομα. Απλό, σωστά;

Όχι ακριβώς. Το πρόβλημα είναι ότι το πλάσμα δεν έχει μία ενεργειακή στάθμη. Είναι σαν ένα πλήθος όπου όλοι έχουν ελαφρώς διαφορετική ενέργεια. Κάποια σωματίδια έχουν ακριβώς την κατάλληλη δύναμη για να απομακρύνουν απαλά ένα άτομο θείου, ενώ άλλα είναι τόσο δυνατά που διαπερνούν τη στρώση του μολυβδαινίου και προκαλούν ζημιά.

Η στιγμή της έμπνευσης

Εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται έξυπνα. Οι ερευνητές έτρεξαν προσομοιώσεις σε υπολογιστή και ανακάλυψαν κάτι απροσδόκητο: αν επεξεργαστούν το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου με οξυγόνο ή φθόριο πριν το εκθέσουν σε πλάσμα, η όλη διαδικασία γίνεται πολύ πιο ελεγχόμενη.

Σκέψου το έτσι — αντί να προσπαθείς να πείσεις ατίθασα σωματίδια να είναι ευγενικά με την ευαίσθητη επιφάνειά σου, ουσιαστικά αλλάζεις την ίδια την επιφάνεια για να κάνεις τη δουλειά πιο εύκολη.

Πώς λειτουργεί επιστημονικά (μην ανησυχείς, θα το απλοποιήσω); Χωρίς επεξεργασία, χρειάζεσαι περίπου 30 ηλεκτρονιοβόλτ ενέργειας για να απομακρύνεις ένα άτομο θείου. Είναι ένα αρκετά στενό παράθυρο πριν καταστρέψεις τη στρώση από κάτω. Αλλά μετά την επεξεργασία με οξυγόνο; Το όριο πέφτει στα 14 ηλεκτρονιοβόλτ περίπου. Η επεξεργασία με φθόριο το ρίχνει ακόμα πιο κάτω, στα 10.

Αυτό μπορεί να μην ακούγεται τεράστια διαφορά, αλλά όταν δουλεύεις σε ατομική κλίμακα, είναι η διαφορά ανάμεσα στο να έχεις έναν εύκολο χώρο εργασίας και να περπατάς σε τεντωμένο σκοινί.

Η χημεία αναλαμβάνει

Αυτό που κάνει την προσέγγιση πραγματικά κομψή είναι ότι αλλάζει τη στρατηγική από βίαιη φυσική δύναμη σε χημεία. Όταν τα ιόντα πλάσματος χτυπούν μια επιφάνεια επεξεργασμένη με οξυγόνο, τα άτομα οξυγόνου μπορούν να ενωθούν με κοντινά άτομα θείου και να σχηματίσουν διοξείδιο του θείου — που είναι αέριο και απλά φεύγει. Η ίδια βασική ιδέα λειτουργεί με το φθόριο, δημιουργώντας ενώσεις θείου-φθορίου που αφαιρούνται εύκολα.

Ο επικεφαλής ερευνητής Yury Polyachenko το είπε καλά: «Δεν σπάμε απευθείας τους δεσμούς. Σχηματίζουμε ενδιάμεσα προϊόντα... Αυτό το ενδιάμεσο προϊόν είναι πολύ πιο εύκολο να αποκολληθεί.»

Είναι μια λεπτή αλλά σημαντική διάκριση. Αντί να παλεύεις με τη φυσική, συνεργάζεσαι με τη χημεία για να κάνεις τη δουλειά πιο κομψά.

Γιατί πρέπει να σε νοιάζει;

Να η συναρπαστική πλευρά: αυτό δεν είναι απλά ένα έξυπνο κόλπο εργαστηρίου. Θα μπορούσε να είναι ένα κομβικό κομμάτι του παζλ για την κατασκευή της επόμενης γενιάς μικροηλεκτρονικών. Μιλάμε για chips που θα μπορούσαν να είναι μικρότερα, πιο ισχυρά και πιο ενεργειακά αποδοτικά από οτιδήποτε έχουμε σήμερα.

Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα να μελετήσει πόση ακριβώς ζημιά προκαλεί η διαδικασία (όχι μόνο αν προκαλεί) και αν η ίδια προσέγγιση λειτουργεί για συγγενικά υλικά — αντικαθιστώντας το μολύβδαινιο με βολφράμιο ή το θείο με σελήνιο.

Οπότε την επόμενη φορά που θαυμάζεις πόσο μικρά και ισχυρά γίνονται οι συσκευές σου, θυμήσου ότι κάπου επιστήμονες παίζουν με μεμονωμένα άτομα και ανακαλύπτουν έξυπνα κόλπα για να κάνουν το αδύνατο δυνατό. Το μέλλον των υπολογιστών χτίζεται ένα άτομο τη φορά.