Ein Thermotransistor regelt den Wärmefluss. Die Wärme wird zwischen den Anschlüssen S und D für den Zustand „Ein“ übertragen, und die Wärme wird zwischen S und D für den Zustand „Aus“ nur wenig oder gar nicht übertragen. G ist das Steuerterminal. Bildnachweis: Wang und Li.

Die meisten Computer verwenden heutzutage Elektronen, um Informationen zu transportieren, während theoretische optische Computer Photonen verwenden. Kürzlich haben Physiker aus Singapur einen dritten Computertyp vorgeschlagen: einen "Phononic Computer", der Wärme, die von Phononen getragen wird, verwendet, um Operationen durchzuführen, die denen seines elektronischen Gegenstücks ähnlich sind.

"Hitze ist sehr häufig und wird sehr oft als nutzlos und schädlich für die Informationsverarbeitung angesehen", sagte Professor Baowen Li von der National University of Singapore gegenüber PhysOrg.com . „Das Verdienst unserer Arbeit ist, dass wir zeigen, dass die Phononen zusätzlich zu den vorhandenen Elektronen und Photonen auch eine ähnliche Funktion erfüllen können. Dies bietet eine alternative Möglichkeit zur Informationsverarbeitung. Darüber hinaus kann die Wärme genutzt werden. “

Li und Co-Autor Lei Wang von der NUS haben gezeigt, wie man thermische Logikgatter für den möglichen Einsatz in zukünftigen Phononic-Computern herstellt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in einer Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht .

Logikgatter, eines der Grundelemente von Computern, führen eine Operation an einem oder mehreren Logikeingängen durch, um einen einzelnen Logikausgang zu erzeugen. In elektronischen Logikgattern werden die Ein- und Ausgänge durch unterschiedliche Spannungen dargestellt. In einem thermischen Logikgatter werden die Ein- und Ausgänge jedoch durch unterschiedliche Temperaturen dargestellt.

Das Schlüsselelement des Logikgatters ist der Thermotransistor (der letztes Jahr von Lis Gruppe erfunden wurde), der ähnlich funktioniert wie ein Feldeffekttransistor, der elektrischen Strom steuert. Der Thermotransistor besteht aus zwei schwach gekoppelten Anschlüssen und einem dritten Steueranschluss.

„Wie alle anderen theoretischen Modelle verwenden wir ein Wärmebad, um Wärme zu erzeugen, eine Art zufällige atomare oder molekulare Bewegung“, erklärte Li. „Um Wärme abzuleiten, braucht man nicht zu viel externe Energie. Jeder Temperaturunterschied führt zur Wärmeleitung. “

Im Modell der Forscher wird die Wärme durch Gittervibration geleitet. Wenn die Schwingungsspektren der beiden Klemmen kombiniert werden, bestimmt ihre Überlappung den Wärmestrom. Wenn sich beispielsweise die beiden Spektren überlappen, kann sich die Wärme leicht zwischen den Anschlüssen ausbreiten, was den Ein-Zustand darstellt. Wenn sich die Schwingungsspektren nicht überlappen, tritt nur sehr wenig Wärme (oder keine Wärme) durch, was den Zustand „Aus“ darstellt. Der "negative differentielle Wärmewiderstand" (NDTR), der aufgrund der Übereinstimmung / Nichtübereinstimmung der Schwingungsspektren der Grenzflächenteilchen der Terminals auftritt, macht den "Ein" - und "Aus" -Zustand stabil, was die thermischen Logikoperationen ermöglicht.

„Wie wir in unserem Artikel Physical Review Letters erläutern, können alle diese Logikgatterfunktionen nur erreicht werden, wenn das System die sogenannte negative oder Superreaktion aufweist, wodurch wir meinen, dass die große Temperaturdifferenz (Änderung) die kleine Wärme induziert Strom «, sagte Li. „Dies ist der so genannte negative differentielle Wärmewiderstand.“ Das NDTR-Phänomen wurde 2006 auch von Lis Gruppe entdeckt.

Die Forscher demonstrieren, wie die Kombination von Thermotransistoren zum Aufbau verschiedener thermischer Logikgatter wie z. B. eines Signalverstärkers verwendet werden kann. Ein Signalverstärker „digitalisiert“ den Wärmeeintrag, sodass der Ausgang bei einer höheren oder niedrigeren Temperatur als einem kritischen Wert entweder „Ein“ oder „Aus“ ist, jedoch nicht dazwischen. Durch die Reihenschaltung einiger Thermotransistoren gelang den Forschern ein nahezu idealer Repeater. Neben Signalverstärkern zeigten sie auch ein NICHT-Gatter, das das Eingangssignal umkehrt, und ein UND / ODER-Gatter, das aus demselben Thermotransistormodell hergestellt wurde.

Während das aktuelle Modell lediglich die Machbarkeit von thermischen Logikgattern zeigt, gehen Wang und Li davon aus, dass eine experimentelle Realisierung der Bauelemente in nanoskaligen Systemen möglicherweise nicht zu weit entfernt ist. Sie weisen darauf hin, dass ein anderes thermisches Gerät, der Festkörperthermogleichrichter, im Jahr 2006, nur wenige Jahre nach dem vorgeschlagenen theoretischen Modell, experimentell demonstriert wurde.

"Ein Vorteil eines Phononic-Computers könnte sein, dass wir nicht viel Strom verbrauchen müssen", sagte Li. „Wir können die redundante Wärme nutzen, die von elektronischen Geräten erzeugt oder von Mutter Natur bereitgestellt wird, um nützliche Arbeit zu leisten. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Mensch eines Tages Wärme mit Bedacht steuern und nutzen kann, um viel Energie zu sparen - was heutzutage ein großes Problem ist. “

Weitere Informationen: Wang, Lei und Li, Baowen. "Thermal Logic Gates: Berechnung mit Phononen." Physical Review Letters 99, 177208 (2007).

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