Nieuwe materialen voor het ontwikkelen van energiezuinige computerchips

“Deze nieuwe machine, een zogenaamde MBE, maakt onze experimentele computerchips met behulp van nieuwe materialen”, aldus Brinkman. Het roestvrijstalen instrument dat er ingewikkeld uitziet is inderdaad prachtig, en de prestaties zijn indrukwekkend volgens Brinkman. Hij voegt grappend toe dat hij zich bijna een trotse vader voelt. Brinkman: “In deze cilinders stoppen we nieuwe materialen die we willen onderzoeken, zoals de metalen bismut, tellurium en antimoon. Deze worden vervolgens verdampt en condenseren op een siliciumchip in het bovenste deel van de machine. Zo kunnen we een heel dun laagje van zo’n metaal opbouwen op de chip.” Vervolgens gebruiken wetenschappers nanotechnieken om in deze laag zeer kleine kanaaltjes te maken die het elektronische circuit vormen. Daarna kan de chip met het nieuwe materiaal worden getest.  

Moderne computerchips hebben onze samenleving gerevolutioneerd. Het resultaat is het digitale tijdperk, waarin smartphones, computers en internet onmisbare onderdelen van ons dagelijks leven zijn. Computerchips worden gemaakt van silicium transistors die fungeren als elektronische schakelaars; ze blokkeren of laten elektrische stroom door. Dit vertaalt zich in de bekende eentjes en nulletjes, de basis van alle digitale berekeningen. Een enkele silicium computerchip kan miljoenen of zelfs miljarden transistoren bevatten die elektronische stromen sturen via kleine kanaaltjes in het siliciumoppervlak van de chip. Samen met andere elektronische componenten zoals weerstanden en condensatoren, vormen zij een ingewikkeld elektronisch circuit; een netwerk dat de basis vormt van de digitale snelwegen die er voor zorgen dat we gebruik kunnen maken van het internet en dat computers en andere elektronische apparaten naar behoren functioneren. 

Digitale snelwegen, zoals datacenters, verbruiken gigantische hoeveelheden energie. Volgens het KTH Royal Institute of Technology uit Zweden werd meer dan tien procent van de totale elektriciteitsbehoefte in de wereld in 2021 gebruikt door het internet. Datacenters gebruiken meer dan tachtig procent van deze energie voor het laten draaien van servers en het koelen van apparatuur. De noodzaak van minder energieverbruik wordt nog duidelijker wanneer je je beseft dat een datacenter een volledig windmolenpark nodig heeft om voldoende energie te ontvangen. “Ongeveer de helft van al deze energie gaat verloren door inefficiënte communicatie tussen transistors; het fundament van moderne elektronica, waaronder computers”, aldus Brinkman. “Deze verloren energie wordt omgezet in warmte.” De oorzaak van dit energieverlies ligt in het materiaal van de chip, silicium. Wanneer de elektronen, die een elektrische stroom vormen, door een siliciumkanaal gaan, botsen ze op minuscule onzuiverheden in het silicium. Daardoor worden ze in verschillende richtingen verstrooid in plaats van dat ze een recht pad volgen.  Dit resulteert in warmteproductie en dus in energieverlies. 

Maar de wetenschap heft misschien een oplossing voor dit energieprobleem. “Er bestaan zogenaamde topologische materialen, zoals bismuttelluride, die elektriciteit op een speciale manier geleiden”, legt Brinkman uit. “De elektronen worden bij deze materialen gedwongen hun rechte weg door het kanaal te vervolgen bij een botsing met de onvermijdelijke onzuiverheden, in plaats van dat ze worden verstrooid. Hierdoor wordt er geen warmte geproduceerd en is er geen energieverlies.” Brinkman en zijn team willen deze nieuwe materialen onderzoeken om te kijken of ze kunnen worden gebruikt in een nieuwe, energiezuinige computerchip. De onderzoekers gaan niet alleen de elektrische geleiding en mogelijke energieverliezen in bekende topologische materialen testen, waaronder bismuttelluride,  ze zullen ook nieuwe geschikte materialen ontwerpen. 

Als het onderzoek van Brinkman slaagt, zal het niet alleen computerchips energie-efficiënter maken; het kan ook belangrijk zijn voor kwantumcomputers. Kwantumcomputers worden gemaakt van kwantumbits of qubits, zoals elektronen. Deze elektronen zijn geen statische deeltjes maar kunnen in twee verschillende richtingen om hun as draaien. Deze verschillende draairichtingen komen overeen met de eentjes en nulletjes van de conventionele computer, en vormen de basis van kwantumberekeningen. Deze draaiingen kunnen echter zeer gemakkelijk worden verstoord door magnetische velden, die overal om ons heen zijn. Door een andere aanpak te gebruiken voor het ontwerp van een qubit hoopt Brinkman een stap te zetten naar robuustere kwantumcomputers. “Voor deze nieuwe qubit zullen we geen gebruik maken van de draairichting van een elektron. In plaats daarvan zien we de volgorde van een rij verschillende qubits op een chip als eentjes en nulletjes en voeren we kwantumberekeningen uit”, zegt Brinkman. “Als een qubit van plaats wisselt met een andere qubit is dat een andere configuratie, vergelijkbaar met een ‘0’ of een ‘1’. Deze qubitvolgorde is veel minder gevoelig voor verstoringen.” Wetenschappers hebben wel supergeleidende topologische materialen nodig voor deze nieuwe qubits. Brinkman: “Topologische materialen hebben dus eigenschappen die kunnen worden gebruikt om energiezuinige chips te maken, maar deze eigenschappen maken het ook mogelijk om een robuustere kwantumcomputer te maken!”

Het project heeft enorme potentie, maar Brinkman ziet wel enkele uitdagingen die het team moet overwinnen. “We gaan nanotechnologie gebruiken om onze nieuwe materialen in een beschermde omgeving te bouwen, en dat betekent dat er soms een laag van één atoom op een grondmateriaal moet worden aangebracht”, legt hij uit. “We zullen die laag dus met één atoom per keer moeten opbouwen. Onze nieuwe MBE-machine is daar perfect voor.” Maar zo’n laagje van één atoom is kwetsbaar: in de buitenwereld kan het worden beschadigd door oxidatie, bijvoorbeeld. Daarom moeten de wetenschappers een manier vinden om deze nieuwgebouwde materialen te beschermen. Tot slot is het ook nog een grote uitdaging om de elektrisch geleidende eigenschappen en het eventuele energieverlies uiterst nauwkeurig te meten. Om dit te bereiken vinden deze metingen plaats in op een temperatuur zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt van -273 graden Celsius. Maar ondanks deze uitdagingen heeft Brinkman er alle vertrouwen in dat het project succesvol zal zijn: “We hebben tien jaar de tijd om dit project uit te voeren. Dat geeft ons niet alleen de tijd om deze nieuwe materialen te ontwikkelen en toe te passen, we hebben misschien zelfs de mogelijkheid om kleine zijpaden in te slaan en onverwachte toepassingen te onderzoeken.”