Επιστροφή του σωλήνα κενού
Κοιτάξτε μέσα σε ένα ραδιόφωνο αντίκα και θα βρείτε κάτι που μοιάζει με μικρούς λαμπτήρες. Στην πραγματικότητα είναι σωλήνες κενού—οι προκάτοχοι του τρανζίστορ πυριτίου. Οι σωλήνες κενού ακολούθησαν το δρόμο των δεινοσαύρων στη δεκαετία του 1960, αλλά οι ερευνητές τους έχουν φέρει πίσω στη ζωή, δημιουργώντας μια έκδοση σε μέγεθος νανο που είναι ταχύτερη και πιο ανθεκτική από το τρανζίστορ. Είναι ακόμη σε θέση να επιβιώσει από την σκληρή ακτινοβολία του διαστήματος.
Οι σωλήνες κενού που αναπτύχθηκαν στις αρχές του περασμένου αιώνα πρόσφεραν τον πρώτο εύκολο τρόπο ενίσχυσης των ηλεκτρικών σημάτων. Όπως οι λαμπτήρες, είναι γυάλινοι λαμπτήρες που περιέχουν ένα θερμαινόμενο νήμα. Αλλά πάνω από το νήμα υπάρχουν δύο επιπλέον ηλεκτρόδια:ένα μεταλλικό πλέγμα και, στην κορυφή του λαμπτήρα, μια θετικά φορτισμένη πλάκα. Το θερμαινόμενο νήμα εκπέμπει μια σταθερή ροή ηλεκτρονίων, τα οποία έλκονται από το θετικό φορτίο της πλάκας. Ο ρυθμός ροής ηλεκτρονίων μπορεί να ελεγχθεί από το φορτίο στο ενδιάμεσο πλέγμα, πράγμα που σημαίνει ότι ένα μικρό ηλεκτρικό σήμα που εφαρμόζεται στο πλέγμα - ας πούμε, η μικροσκοπική έξοδος ενός γραμμοφώνου - αναπαράγεται στην πολύ ισχυρότερη ροή ηλεκτρονίων από νήμα σε πλάκα. Ως αποτέλεσμα, το σήμα ενισχύεται και μπορεί να σταλεί σε ένα μεγάφωνο.
Οι σωλήνες κενού υπέστησαν αργό θάνατο κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του 1950 και του '60 χάρη στην εφεύρεση του τρανζίστορ—συγκεκριμένα, της ικανότητας μαζικής παραγωγής τρανζίστορ με χημική χάραξη ή χάραξη κομματιών πυριτίου. Τα τρανζίστορ ήταν μικρότερα, φθηνότερα και μεγαλύτερης διάρκειας. Θα μπορούσαν επίσης να συσκευαστούν σε μικροτσίπ για ενεργοποίηση και απενεργοποίηση σύμφωνα με διαφορετικές, πολύπλοκες εισόδους, ανοίγοντας το δρόμο για μικρότερους, πιο ισχυρούς υπολογιστές.
Αλλά τα τρανζίστορ δεν ήταν καλύτερα από όλες τις απόψεις. Τα ηλεκτρόνια κινούνται πιο αργά σε ένα στερεό παρά στο κενό, πράγμα που σημαίνει ότι τα τρανζίστορ είναι γενικά πιο αργά από τους σωλήνες κενού. ως αποτέλεσμα, οι υπολογιστές δεν είναι τόσο γρήγοροι όσο θα μπορούσαν να είναι. Επιπλέον, οι ημιαγωγοί είναι ευαίσθητοι σε ισχυρή ακτινοβολία, η οποία μπορεί να διαταράξει την ατομική δομή του πυριτίου έτσι ώστε τα φορτία να μην κινούνται πλέον σωστά. Αυτό είναι ένα μεγάλο πρόβλημα για τον στρατό και τη NASA, που χρειάζονται την τεχνολογία τους για να λειτουργήσει σε σκληρά από την ακτινοβολία περιβάλλοντα, όπως το διάστημα.
"Ο υπολογιστής που αγοράζουμε εσείς και εγώ είναι αυτό που αγοράζει η NASA, αλλά δεν θα τον θέλουν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο", λέει η Meyya Meyyappan, μηχανικός στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA στο Moffett Field στην Καλιφόρνια. "Θα χρειαστούν μερικά χρόνια για να το αντέχουν στην ακτινοβολία. Διαφορετικά, ο υπολογιστής που βάζετε στο διαστημικό λεωφορείο ή ο διαστημικός σταθμός βασικά θα χαλάσει και θα σταματήσει να λειτουργεί."
Η νέα συσκευή είναι μια διασταύρωση μεταξύ των τρανζίστορ του σήμερα και των σωλήνων κενού του παρελθόντος. Είναι μικρό και εύκολο στην κατασκευή, αλλά και γρήγορο και ανθεκτικό στην ακτινοβολία. Ο Meyyappan, ο οποίος ανέπτυξε από κοινού τον «νανοσωλήνα κενού», λέει ότι δημιουργείται με χάραξη μιας μικροσκοπικής κοιλότητας σε πυρίτιο με πρόσμειξη φωσφόρου. Η κοιλότητα περιβάλλεται από τρία ηλεκτρόδια:μια πηγή, μια πύλη και μια αποχέτευση. Η πηγή και η αποχέτευση χωρίζονται κατά μόλις 150 νανόμετρα, ενώ η πύλη βρίσκεται στην κορυφή. Τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από την πηγή χάρη σε μια τάση που εφαρμόζεται σε αυτήν και στην αποστράγγιση, ενώ η πύλη ελέγχει τη ροή ηλεκτρονίων στην κοιλότητα. Στην εργασία τους που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο σήμερα στο Applied Physics Letters , ο Meyyappan και οι συνεργάτες του εκτιμούν ότι ο νανοσωλήνας κενού τους λειτουργεί σε συχνότητες έως και 0,46 terahertz—περίπου 10 φορές πιο γρήγορα από τα καλύτερα τρανζίστορ πυριτίου.
Η συσκευή της ομάδας δεν είναι η πρώτη προσπάθεια μικρογραφίας του σωλήνα κενού. Σε αντίθεση με την προηγούμενη εργασία, ωστόσο, οι ερευνητές δεν χρειάζεται να δημιουργήσουν ένα «σωστό» κενό:Ο διαχωρισμός της πηγής και της αποστράγγισης είναι τόσο μικρός που τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ μικρές πιθανότητες σύγκρουσης με άτομα στον αέρα. Αυτό είναι ένα τεράστιο όφελος, λέει ο Meyyappan, γιατί ανοίγει την πόρτα στη μαζική παραγωγή.
Η μηχανικός ηλεκτρονικών Kristel Fobelets στο Imperial College του Λονδίνου συμφωνεί. «Η τεχνολογία κενού σε μια γραμμή κατασκευής ημιαγωγών θα έκανε το κόστος κατασκευής πολύ υψηλό», λέει. Ωστόσο, προειδοποιεί ότι ο νανοσωλήνας κενού είναι περισσότερο μια «απόδειξη της ιδέας» παρά μια λειτουργική συσκευή, καθώς οι λειτουργικές του απαιτήσεις δεν ταιριάζουν ακόμη με τα σύγχρονα τρανζίστορ. Για παράδειγμα, χρειάζονται περίπου 10 βολτ για την ενεργοποίηση της συσκευής, ενώ τα σύγχρονα τρανζίστορ λειτουργούν σε περίπου 1 βολτ. Από αυτή την άποψη, ο νανοσωλήνας κενού δεν είναι συμβατός με τα σύγχρονα κυκλώματα.
Ακόμα κι έτσι, οι δυνατότητες είναι μεγάλες, λέει ο Meyyappan. Η εγγενής ανοσία του νέου σωλήνα κενού στην ακτινοβολία θα μπορούσε να εξοικονομήσει πολύ χρόνο και χρήμα στον στρατό και τη NASA, ενώ η ταχύτερη λειτουργία του τον καθιστά σπάνιο υποψήφιο για τη λεγόμενη τεχνολογία terahertz. Καθισμένη ανάμεσα στις περιοχές μικροκυμάτων και υπέρυθρων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, η περιοχή terahertz μπορεί να διακρίνει τα «δακτυλικά αποτυπώματα» ορισμένων μορίων. Η τεχνολογία θα μπορούσε επομένως να χρησιμοποιηθεί στα αεροδρόμια για την ασφαλή σάρωση για παράνομες ουσίες, για παράδειγμα.
Είναι λοιπόν οι σωλήνες κενού έτοιμοι να επιστρέψουν; Ο Meyyappan το πιστεύει. «Συνδυάζουμε τα καλύτερα του κενού», λέει, «και τα καλύτερα από όσα μάθαμε τα τελευταία 50 χρόνια για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων».
