Polacy dokonali przełomowego odkrycia. Zmienią tym świat?

Dzięki przełomowemu odkryciu Polaków komputery będą jeszcze mniejsze i szybsze. Topologiczne izolatory krystaliczne - na to hasło fizykom z całego świata zaczyna mocniej bić serce. Amerykanie od lat głowili się, jak je wyprodukować. Udało się naszym naukowcom z Instytutu Fizyki PAN.
To, co stworzyli, na razie ma kształt centymetrowej bryłki. Jednak materiał, z którego ją zrobiono, jest na tyle rewolucyjny, że już się mówi o końcu ery układów scalonych z półprzewodników. Bo dzięki niemu komputery będą mogły być jeszcze mniejsze i jeszcze szybsze od dzisiejszych.

Odkrycie zostało właśnie opublikowane w prestiżowym miesięczniku "Nature Materials". Dokonała go grupa polskich naukowców pod kierownictwem prof. Tomasza Storego we współpracy ze szwedzkimi kolegami z laboratorium synchrotronowego MAX-lab Uniwersytetu w Lund i Królewskiego Instytutu Techniki (KTH) w Sztokholmie.

Na czym polega fenomen tajemniczych kryształów stworzonych przez naszych naukowców, które mogą zrewolucjonizować komputery?

Z prof. Tomaszem Storym rozmawia Michał Stangret

Czym są topologiczne izolatory krystaliczne?

- To materiały elektroniczne w postaci monokryształów, w których atomy ołowiu, cyny i selenu rozmieszczone są w idealnym porządku w sześciennych komórkach elementarnych. Znakomicie przewodzą elektryczność na powierzchni, a pozostają izolatorami wewnątrz. Możemy sobie wyobrazić, że znane wszystkim kryształy soli kuchennej (izolatora, który nie przewodzi elektryczności) pokryto ultracienką warstwą złota, tak, aby mogły przewodzić prąd elektryczny na powierzchni.

Na czym polega nowość?

- W naszych izolatorach taka przewodząca powierzchnia pojawia się spontanicznie, nie wymaga żadnych innych materiałów, nie może być usunięta, a może przewodzić prąd nawet lepiej niż złoto. Okazało się, że coś, co normalnie powinno izolować zarówno we wnętrzu, jak i na powierzchni, znakomicie przewodzi elektryczność na powierzchni.

Dlaczego to takie ważne?

- Takie powierzchniowe nośniki prądu napotykają znacznie mniejsze przeszkody dla ruchu elektronów. Mamy nadzieję, że to świetne przewodnictwo będzie wykorzystane dla połączeń elektrycznych w mikroprocesorach.

Po co?

- Choćby po to, by zaradzić jednemu z najtrudniejszym technicznych problemów elektroniki, jakim jest dziś wydzielanie się w takich układach ciepła będącego efektem przepływu prądu. Rozwój możliwości komputerów, kolejne zmniejszania rozmiarów elementów elektronicznych spowodowały, że nawet małe prądy elektryczne płynące w połączeniach silnie nagrzewają układy. A w podwyższonych temperaturach układy pracują wolniej i są bardziej podatne na uszkodzenia.

Czyli dzięki nowemu materiałowi komputery czeka rewolucja?

- Dzięki lepszemu odprowadzaniu ciepła będą mogły być mniejsze. I szybsze, bo elektrony na powierzchni izolatorów topologicznych są bardziej ruchliwe. Dotychczas konstruktorzy urządzeń elektronicznych mieli do dyspozycji trzy podstawowe rodzaje materiałów: metale, które dobrze przewodzą elektryczność (miedź, złoto), izolatory, które nie przewodzą elektryczności (tworzywa sztuczne, tlenki, ceramiki) i półprzewodniki, czyli materiały, których właściwości elektryczne mogą być kontrolowane (tworzy się z nich serca układów elektronicznych takich jak tranzystory czy mikroprocesory w komputerach). W izolatorach topologicznych mamy dwa w jednym. A dodatkowo mają one także właściwości półprzewodnikowe.

Odkryliście je przez przypadek?

- Próby ich wytworzenia prowadzone są na świecie od kilku lat. To jeden z najważniejszych kierunków badań fizyki i technologii nowych materiałów elektronicznych. W Instytucie Fizyki PAN prace w tej dziedzinie podjęliśmy z własnej inicjatywy dwa lata temu. Równocześnie z uzyskaniem przez nas dowodów doświadczalnych istnienia takich materiałów opublikowane zostały teoretyczne przewidywania naukowców amerykańskich. Wówczas stało się jasne, jakiej rangi jest to odkrycie.

Jak właściwie wygląda to, co stworzyliście?

- Wytworzone przez nas kryształy izolatorów topologicznych mają około centymetra wielkości, więc można je obejrzeć gołym okiem. Metaliczna warstwa powierzchniowa ma zaledwie kilka nanometrów (miliardowych części metra) grubości.

Co dalej?

- Od odkrycia nowego materiału elektronicznego do jego szerokich zastosowań upływa zwykle około 10 lat. To odkrycie otwiera przed nami całą grupę nowych materiałów. Teraz czas na badania zjawisk elektrycznych i optycznych, dalsze prace technologiczne i doświadczalną weryfikację wielu nowych pomysłów. We współczesnych technologiach elektronicznych nowe możliwości materiałowe rodzą nowe zastosowania inżynierskie.

Już opatentowaliście materiał?

- IF PAN uzyskał szereg patentów na procedury wytwarzania tych materiałów dla różnych zastosowań. Sam materiał (jego skład chemiczny, struktura krystaliczna) nie jest opatentowany. Wiedza ta ma charakter otwarty.

Są już zainteresowani, by kupić technologię?

- Wiele grup badawczych interesuje się naszymi kryształami.



Więcej o: