Το «αόρατο» μυστικό των μικροτσίπ αποκαλύπτεται σε ατομική κλίμακα

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες πίστευαν ότι στο εσωτερικό των μικροτσίπ, που δίνουν ισχύ σε smartphones, υπολογιστές και servers, επικρατεί μια μορφή ατομικού «χαοτικού μωσαϊκού». Όμως μια νέα ανακάλυψη έρχεται να αλλάξει ριζικά αυτή την εικόνα.

Μια ομάδα ερευνητών από το Lawrence Berkeley National Laboratory και το George Washington University απέδειξε ότι οι άτομα μέσα στα ημιαγώγιμα υλικά δεν κατανέμονται τυχαία, αλλά υπακούν σε κρυφά πρότυπα που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο να εντοπιστούν. Αυτά τα μοτίβα, γνωστά ως short-range order (SRO), φαίνεται να καθορίζουν καθοριστικά τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των ημιαγωγών.

Το βασικό εμπόδιο για την κατανόηση αυτής της αόρατης τάξης ήταν τεχνικό. Στοιχεία όπως ο κασσίτερος ή το πυρίτιο, όταν εισάγονται σε πολύ μικρές ποσότητες μέσα σε πλέγματα γερμανίου, δεν σχηματίζουν επαναλαμβανόμενες δομές μεγάλης κλίμακας. Έτσι, η συμβολή τους στο συνολικό υλικό έμοιαζε αόρατη. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες θεωρούσαν πως επικρατούσε ένα τυχαίο μοτίβο χωρίς ιδιαίτερη σημασία για τις ηλεκτρονικές ιδιότητες.

Η ομάδα του Andrew Minor, καθηγητή στο Berkeley, αξιοποίησε προηγμένες τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σε συνδυασμό με μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης για να ρίξει φως σε αυτό το μυστήριο. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία 4D-STEM, μια παραλλαγή της μικροσκοπίας διέλευσης ηλεκτρονίων, κατάφεραν να παρατηρήσουν για πρώτη φορά ίχνη της κρυφής διάταξης. Τα αρχικά δεδομένα, ωστόσο, ήταν γεμάτα «θόρυβο» λόγω των ισχυρών σημάτων του γερμανίου. Η λύση ήρθε με την προσθήκη ενός ειδικού φίλτρου ενέργειας, το οποίο ενίσχυσε την αντίθεση και αποκάλυψε τα ασθενικά πρότυπα που κρύβονταν στο υλικό.

Σε αυτό το σημείο ανέλαβε δράση η τεχνητή νοημοσύνη. Ένα εκπαιδευμένο νευρωνικό δίκτυο κατάφερε να αναγνωρίσει έξι χαρακτηριστικά μοτίβα, πραγματικές «υπογραφές» της ατομικής τάξης. Για την επιβεβαίωση, οι ερευνητές του George Washington University προσομοίωσαν εκατομμύρια πιθανές διατάξεις με τη βοήθεια μοντέλων μηχανικής μάθησης. Συγκρίνοντας τα πραγματικά δεδομένα με τις προσομοιώσεις, μπόρεσαν να ταυτοποιήσουν και να περιγράψουν με ακρίβεια τα κρυμμένα πρότυπα.

Όπως δήλωσε ο Minor, «είναι η πρώτη φορά που μπορούμε να δούμε άμεσα αυτές τις περιοχές ατομικής τάξης μικρής κλίμακας». Το εύρημα αυτό δεν είναι μόνο θεωρητικό. Ο κρίσιμος παράγοντας που καθορίζει τη συμπεριφορά ενός ημιαγωγού – το λεγόμενο band gap – εξαρτάται από αυτές ακριβώς τις διατάξεις. Αυτό σημαίνει ότι αν μάθουμε να ελέγχουμε το SRO, θα μπορούμε να ρυθμίζουμε τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των υλικών κατά βούληση.

Οι συνέπειες μιας τέτοιας ανακάλυψης είναι τεράστιες. Η δυνατότητα ελέγχου του SRO ανοίγει δρόμο για ταχύτερους κβαντικούς υπολογιστές, για νευρομορφικές συσκευές που θα μιμούνται τον ανθρώπινο εγκέφαλο και για υπερακριβείς οπτικούς αισθητήρες. «Ανοίγουμε την πόρτα σε μια νέα εποχή πληροφορικής σε ατομικό επίπεδο», τόνισε η Lilian Vogl, ερευνήτρια του Berkeley και πρώτη συγγραφέας της μελέτης.

Παρά τον ενθουσιασμό, παραμένουν ανοιχτά ορισμένα ζητήματα. Ένα από τα βασικά ζητήματα είναι η διάκριση του «κρυφού» μοτίβου από τα φυσικά ελαττώματα του υλικού ή την κίνηση των ατόμων σε θερμοκρασία δωματίου. Οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι η πλήρης αξιοποίηση της ανακάλυψης θα απαιτήσει περαιτέρω μελέτες και πειράματα.

[via]