Raar siliciumkristal belofte chipsfabricage

Canadese wetenschappers hebben een kristal ontdekt dat de natuurkundige wetten tart. Het uit silicium vervaardigde kristal zou volgens de ontdekkers op den duur een revolutie in de fabricage van processors kunnen betekenen.

Tijdens de natuurkundelessen leren we op school dat de wereld op een bepaalde, goed voorspelbare manier in elkaar steekt. Zo leert iedereen bijvoorbeeld dat stoffen of vast zijn, of vloeibaar, of gasvormig. Dat is bijzonder overzichtelijk en voor een goed begrip van de natuur meestal ook voldoende. Zo kan water vloeibaar zijn en dan heet het water, maar het kan ook vaste vorm aannemen, en dan heet het ijs, en in gasvorm noemen we het stoom. De natuur is echter vaak iets weerbarstiger dan deze drie fasen. Water is bijvoorbeeld al een kleine uitzondering op de regel dat de vaste vorm van een stof altijd een hogere massadichtheid heeft dan de vloeibare vorm. Zoals iedereen weet drijft ijs echter op water, dus is de vaste vorm hier per vierkante meter toch echt iets minder zwaar dan de vloeibare variant.

Wie op internet speurt vindt nog veel meer voorbeelden van tussenvormen die de uitzondering vormen op de natuurkundige wetten. Zo wordt van glas beweerd dat het eigenlijk geen vaste stof is, maar een vloeistof. Het vloeien zou daarbij zo langzaam verlopen dat we er in de praktijk eigenlijk nauwelijks iets van merken, en dat is maar goed ook, want niemand zit te wachten op ramen die langzaam maar zeker dunner worden aan de bovenkant en dikker aan de onderkant. Er is via Google best een hoop over te vinden, maar de meeste wetenschappers vinden het toch een vrij dubieuze theorie. Dat geldt zeker niet voor de kristallen in een lcd-beeldscherm. Dit type monitor is namelijk opgebouwd uit vloeibare kristallen en dat is in natuurkundige zin een interne tegenstelling. Kristallen zijn namelijk vast en dat is dus niet vloeibaar. De natuurkundige praktijk kent dus tussenvormen en de vloeibare kristallen in een lcd-scherm is er dus zo een.

Wetenschappers van de McGill Universiteit in Montreal hebben recent ook zo’n uitzondering ontdekt. Het is een behoorlijk technisch verhaal, deze ontdekking. Het komt er op neer dat kristallen normaal gesproken driedimensionaal zijn. Dat is ook logisch gezien de structuur van atomen, waar de elektronen in kriskras door elkaar lopende banen als kleine planeten om de kern van het atoom cirkelen. De elektronen vormen het bindmiddel tussen de verschillende atomen waaruit de moleculen van het kristal zijn opgebouwd. Denk maar aan het Atomium te Brussel, waar de grote grijze buizen tussen de atomen (bollen) deze bindingen vormen. De Hongaarse natuurkundige Eugene Winger voorspelde al in 1934 dat er ook kristallen moeten bestaan die maar twee dimensies hebben. De elektronen cirkelen dan niet ruimtelijk om de atoomkern heen, maar in een plat vlak dat door de Canadese wetenschappers wordt vergeleken met een plak ham.

Het voorgaande is dus de duidelijke situatie met twee staten waarin een kristal zich kan bevinden, ook al is een tweedimensionaal kristal behoorlijk lastig voor te stellen voor een leek. De Canadese onderzoekers hebben nu een derde staat ontdekt die het midden houdt tussen twee en drie dimensies. Ze koelden een stuk silicium, het halfgeleider materiaal waarvan computerchips gemaakt zijn, af tot een temperatuur die honderd keer lager ligt dan die in de ruimte en legden dit zwaar onderkoelde kristal vervolgens onder de krachtigste magneet op aarde. Aldus ontstond een tweedimensionaal stuk silicium. Het gebruiken van die supermagneet kost zoveel dat wetenschapsteams per jaar er maar vijf dagen de beschikking over krijgen. Dit team had geluk: het kristal hergroepeerde zich de derde dag op een manier die de wetenschappers omschrijven als ‘quasi-driedimensionaal’.

De consequenties van de ontdekking van deze ‘rare materie’ konden wel eens enorm zijn, aldus de onderzoeksleider van het Canadese team. Hij denkt dat hiermee transistors kunnen worden gemaakt die aanzienlijk kleiner zijn dan de bestaande transistors die in computerchips worden toegepast. Het persbericht vermeldt niet waarom, maar een bepaalde staat waarin een kristal zich kan bevinden, betekent in principe informatie. Het kristal is of in die staat, of in een andere. Dat is het binaire principe van de computer. Maar goed, kleinere transistors zou betekenen dat er nog meer exemplaren in één chip gepropt kunnen worden en dat betekent snellere processors. En daarmee zou de Wet van Moore zijn leven wederom verlengen. Deze wet is gebaseerd op een uitspraak uit 1965 (!) van medeoprichter Gordon Moore van chipfabrikant Intel dat er ieder anderhalf jaar twee keer zoveel transistors in een chip gepropt worden. Het blijkt tot op de dag van vandaag een behoorlijk accurate wet te zijn, al verlaagde Moore zelf het tempo ooit van iedere anderhalf jaar een verdubbeling naar om de twee jaar. En alhoewel we nog lang niet zo ver zijn dat we natuurkundige wetten tartende siliciumkristallen in onze computers stoppen, blijft de Wet van Moore mede dankzij het Canadese onderzoek vermoedelijk nog menig jaar overeind staan.

Scroll Up

Pin It on Pinterest