Kan een computerchip in 1,58 dimensies energieverlies omzeilen?

Fractals als oplossing voor inefficiënt energiegebruik van informatieverwerking

Als we een manier vinden om elektrische stroom te laten lopen zonder energieverlies, zou dat enorm veel energie kunnen besparen. Topologische isolatoren kunnen hier misschien wel voor zorgen: deze materialen bestaan in één (draad), twee (vlak) en drie (kubus) dimensies; allemaal met andere mogelijke toepassingen in elektronische apparaten. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht, samen met collega’s van de Shanghai Jiao Tong University, hebben ontdekt dat topologische isolatoren mogelijk ook kunnen bestaan in 1,58 dimensies. Deze ontdekking kan bijdragen aan energiezuinige informatieverwerking. Hun studie is vandaag gepubliceerd in Nature Physics.

Bits, de eenheden die computers gebruiken, zijn gebaseerd op elektrische stroompjes: als er elektronen stromen staat dit gelijk aan 1, stromen er geen elektronen dan betekent dit 0. Die combinatie van nullen en enen ligt ten grondslag aan alle apparaten die je in het dagelijks leven gebruikt, van mobiele telefoons tot computers. Maar die elektronen in zo’n apparaat komen tijdens het stromen defecten en onzuiverheden tegen in het materiaal, waardoor ze energie verliezen. Dit voel je als een apparaat warm wordt: de energie wordt omgezet in warmte, en de batterij loopt dus sneller leeg. 

Een nieuw soort materiaal

Topologische isolatoren zijn speciale materialen die pas in 1980 werden ontdekt en al snel een Nobelprijs opleverden. Deze materialen bezitten unieke eigenschappen: aan de binnenkant zijn ze isolerend, maar aan hun randen geleidend. Hierdoor kan er stroom lopen zonder energieverlies. Deze eigenschap maakt topologische isolatoren geschikt voor toepassing in kwantumtechnologieën en zou het wereldwijde energieverbruik aanzienlijk kunnen verminderen. Er was alleen één probleem: de eigenschappen van de materialen kwamen alleen naar voren in de aanwezigheid van sterke magnetische velden en bij zeer lage temperaturen van rond -270 graden Celsius, wat ze ongeschikt maakte voor dagelijks gebruik.

De afgelopen decennia hebben onderzoekers hard gewerkt om deze obstakels te overkomen, waarna in 2017 een doorbraak volgde: onderzoekers ontdekten dat een tweedimensionale laag van bismut, slechts één atoom dik, de gewenste eigenschappen vertoonde bij kamertemperatuur en zonder magneetveld. Deze vooruitgang bracht het gebruik van topologische isolatoren in elektronische apparaten een stapje dichterbij.

A romanesco broccoli
Fractalstructuren zijn ook terug te zien in de natuur

Romanesco

Het onderzoeksveld kreeg een extra zet in 2022 met een Zwaartekrachtsubsidie van meer dan 20 miljoen euro voor het QuMAT consortium. In dit consortium hebben theoretische fysici van de Universiteit Utrecht, in samenwerking met experimentele wetenschappers van Shanghai Jiao Tong University, nu laten zien dat er misschien talloze staten zonder energieverlies bestaan ​​ergens tussen één en twee dimensies, bijvoorbeeld bij 1,58 dimensies. Hoewel het concept van 1,58 dimensies moeilijk voor te stellen is, kun je het ook terugvinden in de natuur. Zulke niet-gehele dimensies komen namelijk voor in fractale structuren, zoals onze longen, het neurale netwerk in je brein, of zelfs de groente romanesco. Fractals zijn zelf-gelijke structuren die op een andere manier schalen dan normale objecten: bij inzoomen herhaalt hetzelfde patroon zich steeds opnieuw.

Het beste van twee werelden

Door een chemisch element (bismut) op een halfgeleider(indiumantimonide) te laten groeien, creëerden de Chinese wetenschappers spontaan gevormde fractale structuren door de groeiomstandigheden te variëren. De Utrechtse wetenschappers lieten vervolgens theoretisch zien dat deze structuren nuldimensionale hoeken en eendimensionale randen hebben, waarbij geen energie verloren gaat in de vorm van warmte. "Door tussen de dimensies te kijken, vonden we het beste van twee werelden," aldus Cristiane Morais Smith, die het theoretische onderzoek aan de Universiteit Utrecht leidde. "De fractals gedragen zich als topologische isolatoren bij eindige energieën en vertonen tegelijkertijd, bij zero-energie, een toestand aan hun hoeken die kan worden gebruikt als een qubit, de bouwstenen van kwantumcomputers. De ontdekking opent dus nieuwe perspectieven voor de langverwachte qubits.”

Deze foto’s zijn gemaakt met een Scanning tunneling microscoop. Links: de lokale dichtheid van elektronen in een fractal. Rechts: bismutfractal (geel) gevormd bovenop indium antimonide (bruin). De individuele atomen zijn hier zichtbaar.
Deze foto’s zijn gemaakt met een scanning tunneling microscoop. Links: bismutfractal (geel) gevormd bovenop indium antimonide (bruin). De individuele atomen zijn hier zichtbaar. Rechts: de lokale dichtheid van elektronen in een fractal.
Portret van Cristiane Morais Smith
Theoretisch fysicus Cristiane Morais Smith

Intuïtie

Opmerkelijk genoeg was de ontdekking het resultaat van een intuïtieve ingeving. “Toen ik op bezoek was bij Shanghai Jiao Tong University en de structuren zag die de groep geproduceerd had, werd ik enorm enthousiast,” zegt Morais Smith. “Mijn intuïtie vertelde me dat de structuren alle gewenste eigenschappen zouden moeten hebben.” Ze ging terug naar Utrecht en besprak het probleem met haar studenten, die de berekeningen graag wilden uitvoeren. Samen met masterstudent Robert Canyellas, haar voormalige promovendus Rodrigo Arouca (nu bij de Uppsala Universiteit) en huidige promovendus Lumen Eek, slaagde het theoretische team erin de experimenten te verklaren en de nieuwe eigenschappen te bevestigen.

Ongekende dimensies

De experimentele groep in China gaat proberen een supergeleider op de fractale structuur te laten groeien in een vervolgonderzoek. Deze fractals hebben veel gaten en er lopen stromen elektronen om veel van deze gaten heen, waarbij geen energie verloren gaat. Deze structuren zouden kunnen worden gebruikt voor energie-efficiënte informatieverwerking. Ze vertonen ook zero-energy modes aan hun hoeken, wat volgens Morais Smith betekent dat ze het beste van de één- en tweedimensionale werelden combineren. “Als dit werkt, kan het nog onverwachtere geheimen blootleggen die verborgen liggen in dimensie 1.58,” zegt ze. “De topologische kenmerken van fractals tonen echt de rijkdom van het betreden van onbekende dimensies.”