Kolejny brakujący element może zrewolucjonizować elektronikę

W 1971 Leon Chua, młody inżynier elektronik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, rozpoczął pracę nad podstawowymi matematycznymi ramami dla elektroniki. Jego teoria opierała się na związkach między ładunkiem, prądem, strumieniem magnetycznym i napięciem oraz sposobem, w jaki te wielkości elektromagnetyczne zmieniają się podczas przechodzenia przez podstawowe elementy obwodów rezystorów, kondensatorów i cewek indukcyjnych.

Prąd przepływający przez rezystor wytwarza napięcie. Dla danego napięcia kondensator przechowuje pewną ilość ładunku. A prąd przepływający przez cewkę indukcyjną wytwarza strumień magnetyczny. Ale Chua zauważył, że czegoś brakuje — związku między ładunkiem a strumieniem magnetycznym.

Założył istnienie urządzenia łączącego te dwie wielkości, które nazwał memrystorem, ale przez ponad 30 lat niewiele o tym myślał. Następnie, w 2004 roku, naukowcy z laboratoriów Hewlett-Packard ogłosili, że stworzyli memrystor i że ma on niezwykłą zdolność do przechowywania informacji bez użycia energii. To było jak rezystor z pamięcią.

Od tego czasu zespół ten i inni pakowali memrysty w chipy, aby symulować między innymi sposób, w jaki ludzki mózg przetwarza informacje. A inni badacze rozpoczęli poszukiwania memkondensatorów i meminduktorów, analogicznych wersji innych pasywnych elementów elektronicznych.

Ta historia rodzi interesujące pytanie. Czy są jeszcze inne elementy elektroniczne do odkrycia, a jeśli tak, to co one zrobią?

Dziś odpowiedź otrzymujemy dzięki pracy Sungsika Lee z Pusan ​​National University w Korei Południowej. Podczas gdy Chua skupił się na pasywnych elementach elektronicznych, takich jak rezystory i kondensatory, Lee zbadał właściwości aktywnych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory. Mówi, że zidentyfikował kolejną lukę – i że brakujące urządzenie, jeśli uda się je zbudować, będzie miało poważne konsekwencje dla przyszłości elektroniki.

Rozumowanie Lee koncentruje się na najbardziej znanym aktywnym urządzeniu elektronicznym: tranzystorze. Posiada wyjście, które może być przełączane przez wejście prądowe lub napięciowe. Innymi słowy, tranzystor to sposób na włączanie i wyłączanie prądu.

Ale nie ma porównywalnego urządzenia do przełączania napięcia. Postanawia opisać takie urządzenie.

Tranzystory pobierają sygnał wejściowy i przenoszą go na wyjście prądowe, podobnie jak rezystor zmienny. Stąd nazwa – połączenie transferu i rezystora. Natomiast urządzenie, które sobie wyobraża, przekazywałoby sygnał wejściowy na wyjście napięciowe, jak kondensator zmienny. Więc Lee nazywa to trancitorem.

Dalej sugeruje, jak można go wykorzystać. Jednym z oczywistych zastosowań jest łączenie w pary tranzystora i tranzystora w celu stworzenia obwodów, które są znacznie prostsze i bardziej energooszczędne niż istniejące konstrukcje. Na przykład Lee pokazuje, jak można by stworzyć prosty wzmacniacz napięciowy przy użyciu jednego tranzytora i jednego tranzystora. Natomiast konwencjonalna wersja tego układu wymaga czterech tranzystorów.

Lee kontynuuje symulację takiego obwodu i mówi, że rezultatem jest mniejszy, mniej energochłonny i szybszy niż konwencjonalne obwody wyłącznie tranzystorowe.

Ma to istotne konsekwencje dla urządzeń elektronicznych. Obwody tranzystor-trancytor zajmowałyby znacznie mniej miejsca, zużywały mniej energii i pracowałyby z większą prędkością niż obwody konwencjonalne. Trancitory przyniosłyby nowy paradygmat elektroniki, mówi Lee.

Ale jest ważne pytanie, na które nie ma odpowiedzi – jak zbudować trancitor.

Lee twierdzi, że jego nowe urządzenie może działać dzięki dobrze znanemu efektowi Halla, który wytwarza napięcie w przewodniku, gdy pole magnetyczne jest przykładane w kierunku prostopadłym do prądu. Nie jest jednak jasne, w jaki sposób można to wykorzystać w skali nanometrowej w obwodach zgodnych z CMOS.

Dzisiejsze obwody elektroniczne były optymalizowane przez dziesięciolecia, więc każde nowe urządzenie będzie miało trochę do nadrobienia.

Jednym z powodów, dla których memrystor Chua zajęło tak dużo czasu, było to, że właściwościami materiału, które pozwalają mu działać, można manipulować tylko w skali atomowej. Tak więc do niedawna nie było sposobu, aby zrobić jeden wydajnie.

Efekt Halla z pewnością działa na skalę subatomowych nośników ładunku. Więc wszystko, czego teraz potrzebujemy, to jakiś przedsiębiorczy inżynier elektronik, aby znaleźć sposób na zbudowanie tranzystora i wykorzystanie go.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1805.05842 : Brakujące urządzenie aktywne — tranzystor dla nowego paradygmatu elektroniki

ukryć