4/2012

Virraton logiikkapiiri poistaa
elektroniikan jäähdytystarpeen

Virraton logiikkapiiri

Professorit Tapio Niemi (vas.), Donald Lupo ja Mircea Guina tutkimusryhmineen
kehittävät täysin uudenlaista, nykyistä pienempää, nopeampaa ja
energiatehokkaampaa logiikkapiiriä. Mukana hankkeessa ovat myös
professorien Nikolai Tkachenkon ja Helge Lemmetyisen johtamat ryhmä.

Mikropiirien virrankulutus ja hukkalämpö ovat ongelma niin pienessä sylimikrossa kuin suurissa datakeskuksissa. Jos TTY:n tutkijakonsortio onnistuu, uudenlaiset mikropiirit eivät lämpene, eikä energiaa syöviä jäähdytyslaitteita tarvita yhtä paljon kuin nykyisin.

TTY:n monialaisessa PhotonicsQCA-tutkimushankkeessa kehitetään virratonta, valolla ohjattavaa logiikkapiiriä yhdistämällä orgaanisen kemian, puolijohdeteknologian ja nanovalmistuksen asiantuntemusta.

Tutkimuskonsortio etsii keinoja valmistaa logiikkapiirejä liittämällä kvanttipisteinä tunnettuihin puolijohderakenteisiin valoherkkiä orgaanisia molekyylejä. Tällainen piiri olisi pienempi, nopeampi ja energiatehokkaampi kuin mikään nykyinen tai kehitteillä oleva logiikkapiiri.

– Tietojemme mukaan tätä ei ole koskaan ennen yritetty. Onnistuessamme kyseessä olisi huikea tieteellinen läpimurto, tutkimusta koordinoiva professori Donald Lupo TTY:n elektroniikan laitokselta toteaa.

Monipuolista osaamista

TTY:n Optoelektroniikan tutkimuskeskus (ORC) kehittää hankkeessa tekniikkaa, jolla rakennetaan kvanttipisteistä koostuva logiikkapiiri. Kemian laboratorio tutkii, miten nanokokoinen piiri yhdistetään orgaanisten molekyylien avulla makroskooppiseen maailmaan, eli miten piirille syötetään tietoa ja sitä luetaan. Elektroniikan laitos tuo hankkeeseen tietotaidon uusista arkkitehtuureista.

– Uudenlainen piiri koostuu neljän kvanttipisteen soluista, joita ketjuttamalla muodostuu logiikkapiirejä, joilla voidaan toteuttaa perinteiset loogiset funktiot, professori Tapio Niemi ORC:stä kuvaa.

Kun kvanttipisteeseen liitettyyn valoherkkään molekyyliin suunnataan valoa, absorboi se valosta fotonin, virittyy ja siirtää varauksen kvanttipisteeseen. Sähköisen hylkimisvoiman ja kvanttimekaanisen tunneloitumisen johdosta elektroni siirtyy viereiseen kvanttipisteeseen ja muuttaa sen tilan. Samalla myös solun kahden muun pisteen tila muuttuu. Sama vuorovaikutus vaikuttaa myös ketjutettujen solujen välillä.

Sähkövirta on elektronien liikettä. Virrattomaksi uudenlaisen logiikkapiirin tekee se, että ainoa liike solussa on elektronin siirtyminen kahden kvanttipisteen välillä. Koska liike ei etene ketjussa eteenpäin, ei sähkövirtaa synny.

Kvanttipisteet

Kuvassa on kaksi lähekkäin aseteltua kvanttipistettä. Pisteet on
kasvatettu nanopainolitografialla kuvioidulle puolijohdekiekolle.
Kvanttipisteiden välinen etäisyys on 300 nm.

Haasteita riittää

Ennen kuin pieniä ja herkkiä ilmiöitä käsittelevä teoria muuttuu toimivaksi piiriksi, pitää ratkaista monia ongelmia.  

Tapio Niemen mukaan piirin perusrakenneosia on olemassa ja yksittäisen kvanttipisteen ominaisuuksia pystytään hallitsemaan ja mittaamaan, jos ne ovat kohtuullisen kaukana toisistaan.

– Pystymme kasvattamaan kvanttipisteitä puolijohdekiekolle. Ongelmana on saada ne oikeaan paikkaan ja riittävän lähelle toisiaan. Tähän haetaan ratkaisua erilaisilla nanokuviointimenetelmillä, Niemi sanoo.   

– Tutkimushankkeen keskeisimpiin uutuuksiin kuuluvat hybridirakenteet, ts. puolijohteiden ja orgaanisten materiaalien yhdistäminen ja yhteistoiminta, professori Helge Lemmetyinen kertoo.

– Valokemian tutkimusryhmällä on pitkäaikainen kokemus valoaktiivisista molekyyleistä ja niiden muodostamista suuremmista rakenteista. Ryhmä tuntee aurinkokennotutkimuksessa soveltamiensa rakenteiden toimintaperiaatteet hyvin. Hybridirakenteet avaavat mahdollisuuden tutkia ja synnyttää nanofotoniikan uusia ilmiöitä.

 

Uraauurtava tutkimusidea

  • Kokonaisbudjetiltaan kahden miljoonan euron PhotonicsQCA on TTY:n tähän asti suurin nanofotoniikkaprojekti
  • Suomen Akatemian rahoittaa tutkimusta 1,6 miljoonalla eurolla Ohjelmoitavien materiaalien ohjelmasta.
  • Nelivuotista hanketta koordinoi professori Donald Lupo elektroniikan laitokselta. Lisäksi siihen osallistuvat professori Mircea Guinan ja Tapio Niemen tutkimusryhmät Optoelektroniikan tutkimuskeskuksesta sekä Helge Lemmetyisen ja professori Nikolai Tkachenkon tutkimusryhmä kemian ja biotekniikan laitokselta.


 

Teksti: Martti Tammisto
Kuvat: Petri Laitinen ja Juha Tommila

Kerro kaverille
Ratkeaako energian raaka-ainepula mikrolevillä?
Ratkeaako energian raaka-ainepula mikrolevillä?
4/2012
Ratkeaako energian raaka-ainepula mikrolevillä?
Aurinko lämmittää veden ja lattian
Aurinko lämmittää veden ja lattian
4/2012
Aurinko lämmittää veden ja lattian
Sähköä ilmasta
Sähköä ilmasta
4/2012
Sähköä ilmasta
Tekniikkaa ihmisen ja ympäristön hyväksi
Tekniikkaa ihmisen ja ympäristön hyväksi
4/2012
Tekniikkaa ihmisen ja ympäristön hyväksi
Satu Hassi: Ei eletä tulevien sukupolvien kustannuksella
Satu Hassi: Ei eletä tulevien sukupolvien kustannuksella
4/2012
Satu Hassi: Ei eletä tulevien sukupolvien kustannuksella
Voiko talvisilta sähköiskuilta välttyä?
Voiko talvisilta sähköiskuilta välttyä?
4/2012
Voiko talvisilta sähköiskuilta välttyä?
Kuka arvostaisi yhteisöjohtajaa?
Kuka arvostaisi yhteisöjohtajaa?
4/2012
Kuka arvostaisi yhteisöjohtajaa?
Suomalaiset fotoniikan toimijat järjestäytyvät
Suomalaiset fotoniikan toimijat järjestäytyvät
4/2012
Suomalaiset fotoniikan toimijat järjestäytyvät
TTY:lle uusi tuotantotalouden ja rakentamisen tiedekunta
TTY:lle uusi tuotantotalouden ja rakentamisen tiedekunta
4/2012
TTY:lle uusi tuotantotalouden ja rakentamisen tiedekunta
Hyvää Joulua!
Hyvää Joulua!
4/2012
Hyvää Joulua!

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi