Badania prowadzili naukowcy z Georgia Institute of Technology. O sukcesie poinformował szef zespołu, Walter de Heer, profesor fizyki w Georgia Tech. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature. Odkrycie jest przełomowe, bo w tym momencie praktycznie osiągnięto już maksimum wydajności z krzemu, który jest podstawą obecnych procesorów.
Długa praca nad wykorzystaniem potencjału
De Heer od początku swojej kariery naukowej zajmował się materiałami na bazie węgla jako potencjalnymi półprzewodnikami. W 2001 r. rozpoczął prace nad grafenem, który jego zdaniem miał największy potencjał.
„Motywowała nas nadzieja na pełne wykorzystanie trzech specjalnych właściwości grafenu. To niezwykle trwały materiał, który jest świetnym przewodnikiem prądu, a przy tym nie nagrzewa się i nie rozpada” – powiedział de Heer.
Jego zespołowi najpierw udało się wytworzyć grafen na płytkach z węglika krzemu przy użyciu specjalnych pieców. W ten sposób powstał grafen epitaksjalny, który łączy się chemicznie z węglikiem krzemu i w efekcie wykazuje właściwości półprzewodnikowe.
W 2014 r. jego zespół połączył siły z Międzynarodowym Centrum Nanocząstek i Nanosystemów na Uniwersytecie Tianjin w Chinach. Naukowcy stworzyli centrum badawcze dedykowane tylko temu zagadnieniu.
Odkrycie „na dopingu”
Po prawie 10 latach udało im się rozwiązać największy problem, czyli brak w grafenie pasma wzbronionego nazywanego też przerwą energetyczną – bez tego nie da się włączać i wyłączać półprzewodników. Naukowcy zdecydowali się na umieszczenie na grafenie atomów, które „oddają” elektrony układowi – jest to technika zwana dopingiem, stosowana w celu sprawdzenia, czy materiał jest dobrym przewodnikiem. Okazało się, że działa to bez szkody dla materiału i jego właściwości.
Przeprowadzone przez nich pomiary wykazały, że półprzewodnik grafenowy ma 10 razy większą ruchliwość niż krzem. Innymi słowy, elektrony poruszają się z bardzo niskim oporem, co w elektronice oznacza szybsze obliczenia.
„W porównaniu do krzemu to jak jazda samochodem po autostradzie a nie po żwirowej drodze” – powiedział de Heer. „Grafen jest bardziej wydajny, nie nagrzewa się tak bardzo i pozwala na osiągnięcie wyższych prędkości, dzięki czemu elektrony mogą poruszać się szybciej. Musieliśmy nauczyć się obchodzić się z materiałem i go udoskonalić. Zajęło to bardzo, bardzo dużo czasu” – dodał.
Nowe moce obliczeniowe
Technologia opracowana przez naukowców może zrewolucjonizować świat technologii. Materiał umożliwia bowiem wykorzystanie właściwości fal kwantowo-mechanicznych elektronów, co jest wymogiem w obliczeniach kwantowych. Komputery kwantowe są lepsze od najbardziej zaawansowanych superkomputerów konwencjonalnych. W określonych przypadkach rozwiązują problemy, których przetworzenie urządzeniom binarnym zajęłoby tysiące, jeśli nie miliony lat.
„Dla mnie to jak wynalazek braci Wright. Zbudowali samolot, który mógł latać na wysokość 90 metrów. Sceptycy pytali po co to światu, skoro istnieją już szybkie pociągi i łodzie. Ale bracia się nie poddawali i był to początek technologii, która może przenosić ludzi przez oceany” – powiedział de Heer. Dlatego jego zdaniem pojawienie się z czasem elektroniki opartej na grafenie nie będzie niczym niezwykłym. „Przed krzemem były lampy próżniowe, a jeszcze wcześniej były druty i telegrafy. Krzem to jeden z wielu etapów w historii elektroniki, a kolejnym krokiem może być grafen” – wyjaśnił.
