Nieuwe, energiezuinige materialen die silicium vervangen zijn nodig om de toekomstige groei van micro-elektronica te ondersteunen. Niet alleen komen de grenzen van de Wet van Moore in zicht. Ook verbruikt ons digitale ecosysteem steeds meer elektriciteit. Dat zegt Nicola Spaldin, Professor of Materials Theory aan de ETH Zürich.

Spaldin doet fundamenteel onderzoek naar materialen en ontwikkelde een nieuw soort: multiferroische materialen. Deze bezitten zowel ferroelektrische als ferromagnetische eigenschappen. In de natuur zijn er materialen die de ene of de andere eigenschap bezitten maar een combinatie komt niet voor. Maar er is geen natuurwet is die de combinatie onmogelijk maakt, ontdekte Spaldin. En dus creëerde ze samen met haar team de nieuwe multiferroische materialen. Inmiddels wordt hiernaar veel onderzoek gedaan maar Spaldin wordt gezien als de grondlegger van dit onderzoeksgebied.

Het Silicium Tijdperk
In een recent, prachtig geschreven paper zet Spaldin kort uiteen hoe de toepassing van nieuwe materialen richting heeft gegeven aan de menselijke beschaving. Zo veel zelfs dat we er onze tijdperken naar vernoemen. In de Bronstijd bijvoorbeeld, ging de nieuw verworven kennis om metalen te bewerken samen met het ontstaan van steden, ambachten en handel.

‘Nu leven we in het Silicium Tijdperk waarin silicium transistoren de kern vormen van de micro-elektronica die onze moderne manier van leven mogelijk maken’, schrijft Spaldin. ‘Sinds de eerste transitoren in de jaren 1940 en ‘50 hebben we de eigenschappen van silicium apparaten enorm verbeterd. Hierdoor was de transformatie mogelijk van lijvige mainframe-computers naar slanke, krachtige smartphones. Allemaal gebaseerd op hetzelfde materiaal: silicium.’

Veelvraat
Die enorme vooruitgang is te danken aan de Wet van Moore: de voorspelling uit 1965 dat het aantal transitoren op een geïntegreerde schakeling elke twee jaar verdubbeld. ‘Maar de silicium revolutie zal binnenkort aan zijn einde komen, nu we tegen fundamentele fysieke grenzen aanlopen’, schrijft Spaldin. ‘Grenzen die worden gedicteerd door de grootte van individuele atomen die het silicium materiaal vormen.’

Daarnaast slurpt de immer uitdijende IT-infrastructuur steeds meer stroom. Onder meer door de opkomst van het Internet of Things en het feit dat een steeds groter deel van de wereldbevolking toegang krijgt tot het internet. Als de huidige groeitrends doorzetten en IT-apparaten niet zuiniger worden, dan zal het toenemend stroomverbruik over enkele decennia onhoudbaar kunnen worden.

Radicale verandering
Nieuwe materialen zijn nodig om de exponentiële groei die we gewend zijn van micro-elektronica te blijven ondersteunen en energiezuiniger apparaten te ontwikkelen. En daarvoor is fundamenteel onderzoek nodig, zegt Spaldin. Toegepaste wetenschap levert sneller en beter meetbare resultaten op. Maar fundamentele wetenschap kan de deur openen naar geheel nieuwe mogelijkheden.

Dat was het geval bij Spaldin. Toen zij en haar collega’s het materiaal eenmaal hadden gecreëerd bleek het onverwachte eigenschappen te hebben. Spaldin: ‘We toonden aan dat we de magnetische eigenschappen van het materiaal konden veranderen met elektrische velden. Dat is interessant vanuit een natuurkundig oogpunt: meestal is een magnetisch veld nodig om magnetische eigenschappen te veranderen. Maar daarnaast heeft het ook verregaande technologische implicaties: Als in de huidige, op magnetisme gebaseerde technologieën, de magnetische velden worden vervangen door elektrische velden, biedt dat prachtige mogelijkheden voor het besparen van energie, miniaturisatie en efficiëntie.’

Nu het Silicium Tijdperk tegen zijn grenzen aanloopt, wordt het tijd voor een nieuw materiaal. Misschien zijn dat multiferroische materialen en misschien wat anders, zegt Spaldin. Maar in ieder geval is financiering van fundamenteel onderzoek nodig om aan de weg naar ons volgende tijdperk te timmeren.

Nicola Spaldins artikel Fundamental Materials Research and the Course of Human Civilization is vrij beschikbaar op arxiv.org.

Beeld: Banksy straatkunst. Foto gemaakt door: Salvatore Vastano. CC BY-ND 2.0 licentie.

Via: Technology Review