Hvordan materialvitenskap vil bestemme fremtiden til menneskelig sivilisasjon

En av de ekstraordinære egenskapene til mikroelektronikkrevolusjonen er dens evne til å skalere, en funksjon fanget av Moores lov. Det har ført til en rask og massiv økning i datakapasitet – dagens smarttelefoner i toppklassen har datakraft som tilsvarer verdens kraftigste superdatamaskiner fra tidlig på 1990-tallet. Morgendagens smarttelefoner vil være enda kraftigere.

Men det er et problem på trappene. Etter hvert som kraftige datamaskiner blir mer utbredt, vil mengden strøm de bruker øke. Hvis Moores eksponentielle lov fortsetter, vil elektroniske enheter forbruke mer enn halvparten av planetens energibudsjett innen et par tiår.

Det er helt klart uholdbart. Så, hva gjør vi?



Den ferroelektriske domenestrukturen til erbiummanganat.

I dag får vi et slags svar fra Nicola Spaldin, en materialforsker ved ETH Zürich, i Sveits. Spaldin argumenterer for at materialforskere kan redde planeten, og løsningen deres vil være i form av et grunnleggende gjennombrudd som endrer måten vi tenker på informasjonsteknologi og måten vi bruker den på. Hun argumenterer – og peker på en eller to mulige veier for dette gjennombruddet – i en svært underholdende artikkel.

Spaldin begynner med å vise hvordan den menneskelige sivilisasjonen har blitt formet av gjennombrudd innen materialvitenskap. Oppdagelsen av komposittmaterialer som fiber og harpiks tillot mennesker å feste kniver til pinner for å lage kniver og økser.

Den bemerkelsesverdige oppdagelsen av smelteteknikker, sannsynligvis i steinalderkeramikkovner, førte til bronse- og jernalderen. Det forårsaket radikale endringer i landbruket og førte til etableringen av byer og til og med land. Metallteknologi førte også til viktige endringer i våpenteknologi og til slutt, rundt 4000 år senere, til den industrielle revolusjonen.

Senere førte oppdagelsen av elektronet til utviklingen av vakuumrøret, faststofftransistoren og til mikroelektronikk generelt. Det ultrarene silisiumet som kreves for moderne elektronikk ble opprinnelig utviklet for høyfrekvente radarmottakere under andre verdenskrig.

Hvert av disse gjennombruddene innen materialvitenskap forandret verden og måten vi samhandler med den på. Men ingen av dem var planlagt, og mye om levemåten som gikk forut gikk tapt da disse endringene skjedde.

Spaldin hevder at noe lignende vil være nødvendig for å overvinne silisiumenergikrisen. Vi kan ikke fortsette med silisium, så hva vil erstatte det?

En mulighet kan komme fra Spaldins egen forskning på multiferroikk - materialer som har både ferroelektriske og ferromagnetiske egenskaper. Vanligvis er den eneste måten å endre et materiales magnetiske egenskaper på med et magnetfelt. Men Spaldin og andre har vist hvordan man kan endre de magnetiske egenskapene til multiferroics med elektriske felt.

Det har betydelige implikasjoner. Mye silisiumbasert informasjonsbehandling og -lagring er avhengig av magnetiske egenskaper som må manipuleres med magnetiske felt. Evnen til å gjøre det mer effektivt med elektriske felt er potensielt transformerende. Å erstatte magnetfeltene i våre eksisterende magnetismebaserte teknologier med elektriske felt gir en enorm mulighet for energisparing, miniatyrisering og effektivitet, sier hun.

Multiferroics har andre nyttige egenskaper. Inne i disse materialene kan ferroelektriske dipoler stilles opp med forskjellige orienteringer. Dipoler som er justert danner regioner kalt domener og grensene mellom disse domenene viser seg å være interessante.

Spaldin sier at disse grensene danner ledende kanaler som kan flyttes og omorganiseres ved hjelp av elektriske felt. Dette har potensiell anvendelse i nye minne- eller informasjonsbehandlingsarkitekturer, sier hun.

Overflaten til disse multiferroiske materialene har også merkelige elektroniske egenskaper som kan manipuleres for å katalysere reaksjoner som vannsplitting.

Våre nye multiferroiske materialer er klar til å muliggjøre nye enhetsparadigmer, og i sin tur helt nye måter å designe teknologier på, sier hun. Kanskje vi er i ferd med å gå inn i en ny multiferroisk tidsalder?

Borte ville være vår avhengighet av silisium, og i stedet vil vi være avhengige av en industri som produserer erbiummanganat eller yttriummanganat eller vismutferritt og en ny generasjon svært energieffektive informasjonsbehandlingsenheter.

Spaldin holder ikke pusten. Det er mange faktorer som bestemmer fremtiden for teknologi og ingen måte å forutsi hvordan de vil utvikle seg. Multiferroics er én mulighet, men det er sikkert mange andre.

Og dette er hennes hovedpoeng. Den historien viser tydelig at den langsiktige fremtiden aldri er en enkel ekstrapolering av i dag. I stedet forandrer forstyrrende ideer verden. Og nøkkelen er å skape et miljø der denne forstyrrelsen kan skje.

Ideen om at materialforskere vil skape denne revolusjonen er imidlertid noe tungen i kinnet. Det vil selvsagt være fysikere som gjør den viktige jobben (hoste).

Hun avslutter argumentasjonen med en lidenskapelig bønn til myndigheter, finansieringsbyråer og universitetsadministratorer.

De sanne gjennombruddene som vil endre historiens gang vil ikke komme fra initiativer for å forbedre eksisterende materialer eller enheter, eller for å fremme teknologier som allerede er identifisert, sier hun. I stedet vil de komme fra off-beat individer eller små grupper av grunnleggende forskere som skyver grensene for kunnskap i retninger det ennå ikke finnes en søknad om.

Grunnforskning vil med andre ord lønne seg i sølvdollar – hvis den blir nøye pleiet.

Ref: arxiv.org/abs/1708.01325 : Fundamental Material Research and the Course of Human Civilization

gjemme seg