«Фононный компьютер» работает на энергии тепла

В окружающих нас компьютерах для переноса информации используются электроны. В пока еще только разрабатываемых оптических компьютерах эта роль отводится фотонам. Ученые из Национального университета Сингапура работают над компьютерами третьего типа – «фононными», в которых функциональными аналогами электронов выступают фононы – квазичастицы, представляющие собой кванты колебательного движения атомов твердого тела.

Коротко говоря, электрический ток в фотонном компьютере заменен теплом. Парадоксально, но в современных компьютерах тепловая энергия рассматривается, как вредный фактор – достаточно вспомнить, какие усилия приходится прилагать конструкторам, чтобы обеспечить эффективное охлаждение систем.

Как известно, базовыми элементами компьютерных схем являются логические вентили. Тепловой компьютер - не исключение. И если в электронном компьютере логическим уровням на входах и выходах вентилей соответствуют высокие и низкие значения напряжения, то в теплом – высокие и низкие значения температуры.

В свою очередь, ключевым элементом логического вентиля является термический транзистор. Он работает примерно так же, как полевой транзистор в электронных схемах. Два вывода играют роли истока и стока, а третий – затвора. Тепло передается колебаниями кристаллической решетки. Сочетание спектров колебаний двух выводов определяет наличие потока тепла. Когда спектры колебаний выводов перекрываются, тепло легко передается от вывода с большей температурой, к выводу с меньшей, что соответствует состоянию «включен». Когда спектры не перекрываются, передача тепла не происходит, что соответствует состоянию «выключен».

На схеме показан термический транзистор. Тепло проходит между выводами S и D во включенном состоянии, и практически не проходит в выключенном. Буквой G обозначен управляющий вывод.

Описанный механизм работает, когда система обладает свойством отрицательного дифференциального теплового сопротивления (negative differential thermal resistance, NDTR), которое заключается в том, что большое изменение температуры индуцирует малое изменение теплового потока. Эффект NDTR был открыт учеными университета в 2006 году.

К настоящему времени из термических транзисторов создана схема сигнального повторителя и логические вентили, реализующие функции NOT и AND/OR. Пока речь идет о моделях, но исследователи уверены, что экспериментальная реализация приборов средствами нанотехнологий не за горами.

По материалам: IXBT.com