Kā materiālu zinātne noteiks cilvēka civilizācijas nākotni

Viena no mikroelektronikas revolūcijas īpašajām iezīmēm ir tās mērogošanas spēja, ko fiksējis Mūra likums. Tas ir izraisījis strauju un milzīgu skaitļošanas jaudas pieaugumu — mūsdienu augstākā līmeņa viedtālruņu skaitļošanas jauda ir līdzvērtīga pasaulē jaudīgākajiem superdatoriem no deviņdesmito gadu sākuma. Rīt viedtālruņi būs vēl jaudīgāki.

Taču gaidāma problēma. Tā kā jaudīgi datori kļūst arvien izplatītāki, palielināsies to patērētās enerģijas daudzums. Ja Mūra eksponenciālais likums turpināsies, elektroniskās ierīces pāris gadu desmitu laikā patērēs vairāk nekā pusi no planētas enerģijas budžeta.

Tas ir acīmredzami neilgtspējīgs. Tātad, ko darīt?

Erbija manganāta feroelektriskā domēna struktūra.

Šodien mēs saņemam sava veida atbildi no Nicola Spaldin, materiālu zinātnieka no ETH Cīrihes, Šveicē. Spaldins apgalvo, ka materiālu zinātnieki var glābt planētu, un viņu risinājums būs fundamentāla izrāviena veidā, kas mainīs mūsu domāšanu par informācijas tehnoloģijām un to, kā mēs tās izmantojam. Viņa izsaka argumentu un norāda uz vienu vai diviem potenciālajiem ceļiem šim izrāvienam ļoti izklaidējošā dokumentā.

Spaldins sāk, parādot, kā cilvēka civilizāciju ir veidojuši sasniegumi materiālu zinātnē. Kompozītmateriālu, piemēram, šķiedru un sveķu, atklāšana ļāva cilvēkiem piestiprināt asmeņus nūjām, lai izveidotu nažus un cirvjus.

Ievērojamais kausēšanas tehnikas atklājums, iespējams, akmens laikmeta keramikas krāsnīs, noveda pie bronzas un dzelzs laikmeta. Tas izraisīja radikālas izmaiņas lauksaimniecībā un noveda pie pilsētu un pat valstu izveidošanas. Metāla tehnoloģija izraisīja arī nozīmīgas izmaiņas ieroču tehnoloģijā un galu galā, aptuveni 4000 gadus vēlāk, rūpniecisko revolūciju.

Vēlāk elektrona atklāšana noveda pie vakuuma caurules, cietvielu tranzistora un vispār mikroelektronikas izstrādes. Mūsdienu elektronikai nepieciešamais īpaši tīrais silīcijs sākotnēji tika izstrādāts augstfrekvences radaru uztvērējiem Otrajā pasaules karā.

Katrs no šiem sasniegumiem materiālu zinātnē mainīja pasauli un veidu, kā mēs ar to mijiedarbojamies. Bet neviens no tiem nebija plānots, un daudz kas par dzīvesveidu, kas bija pirms tiem, tika zaudēts, kad notika šīs izmaiņas.

Spaldins apgalvo, ka kaut kas līdzīgs būs vajadzīgs, lai pārvarētu silīcija enerģijas krīzi. Mēs nevaram turpināt ar silīciju, kas tad to aizstās?

Viena iespēja var rasties no paša Spaldina pētījumiem par multiferroiku — materiāliem, kuriem ir gan feroelektriskās, gan feromagnētiskās īpašības. Parasti vienīgais veids, kā mainīt materiāla magnētiskās īpašības, ir ar magnētisko lauku. Bet Spaldins un citi ir parādījuši, kā mainīt multiferroikas magnētiskās īpašības ar elektriskajiem laukiem.

Tam ir būtiskas sekas. Liela daļa informācijas apstrādes un uzglabāšanas, kuras pamatā ir silīcijs, ir atkarīgas no magnētiskajām īpašībām, kuras jāvada ar magnētiskajiem laukiem. Iespēja to darīt efektīvāk ar elektriskajiem laukiem ir potenciāli pārveidojoša. Viņa saka, ka magnētisko lauku aizstāšana mūsu esošajās uz magnētismu balstītajās tehnoloģijās ar elektriskajiem laukiem sniedz milzīgu iespēju ietaupīt enerģiju, miniaturizēt un uzlabot efektivitāti.

Multiferroikai ir arī citas noderīgas īpašības. Šajos materiālos feroelektriskie dipoli var būt vienā rindā ar dažādu orientāciju. Interesanti izrādās dipoli, kas ir izlīdzināti no reģioniem, ko sauc par domēniem, un robežas starp šiem domēniem.

Spaldins saka, ka šīs robežas veido vadošus kanālus, kurus var pārvietot un pārkārtot, izmantojot elektriskos laukus. Viņa saka, ka tam ir potenciāls pielietojums jaunās atmiņas vai informācijas apstrādes arhitektūrās.

Šo multiferroisko materiālu virsmai ir arī dīvainas elektroniskas īpašības, ar kurām var manipulēt, lai katalizētu reakcijas, piemēram, ūdens sadalīšanu.

Viņa saka, ka mūsu jaunie multiferroic materiāli ir gatavi nodrošināt jaunas ierīču paradigmas un, savukārt, pilnīgi jaunus tehnoloģiju projektēšanas veidus. Varbūt mēs drīz ieiesim jaunā multiferroikas laikmetā?

Pazudīs mūsu paļaušanās uz silīciju, un tā vietā mēs būsim atkarīgi no nozares, kas ražo erbija manganātu vai itrija manganātu vai bismuta ferītu, un jaunas paaudzes ļoti energoefektīvām informācijas apstrādes ierīcēm.

Spaldiņa netur elpu. Ir daudzi faktori, kas nosaka tehnoloģiju nākotni, un nav iespējams paredzēt, kā tie attīstīsies. Multiferroika ir viena iespēja, taču noteikti ir daudz citu.

Un tas ir viņas galvenais punkts. Šī vēsture skaidri parāda, ka ilgtermiņa nākotne nekad nav tieša šodienas ekstrapolācija. Tā vietā graujošas idejas maina pasauli. Un galvenais ir radīt vidi, kurā var notikt šie traucējumi.

Tomēr doma, ka materiālu zinātnieki radīs šo revolūciju, ir zināmā mērā mēle. Protams, svarīgo darbu veiks fiziķi (klepus).

Viņa beidz savu strīdu ar kaislīgu lūgumu valdībām, finansēšanas aģentūrām un universitāšu administratoriem.

Viņa saka, ka patiesie sasniegumi, kas mainīs vēstures gaitu, nenāks no iniciatīvām uzlabot esošos materiālus vai ierīces vai uzlabot tehnoloģijas, kas jau ir identificētas. Tā vietā tie nāks no neparastiem indivīdiem vai nelielām fundamentālo pētnieku komandām, kas virzīs zināšanu robežas virzienos, kuriem vēl nav pielietojuma.

Citiem vārdiem sakot, fundamentālie pētījumi atmaksāsies sudraba dolāros, ja tie tiks rūpīgi kopti.

Atsauce: arxiv.org/abs/1708.01325 : Fundamentālo materiālu izpēte un cilvēka civilizācijas gaita

paslēpties