Hur materialvetenskap kommer att avgöra den mänskliga civilisationens framtid

En av de extraordinära särdragen hos mikroelektronikrevolutionen är dess förmåga att skala, ett kännetecken som fångas av Moores lag. Det har lett till en snabb och massiv ökning av beräkningskapaciteten – dagens toppmoderna smartphones har den datorkraft som motsvarar världens kraftfullaste superdatorer från början av 1990-talet. Morgondagens smartphones kommer att vara ännu kraftfullare.

Men det finns ett problem på gång. När kraftfulla datorer blir mer utbredda kommer mängden ström de förbrukar att öka. Om Moores exponentiella lag fortsätter kommer elektroniska enheter att förbruka mer än hälften av planetens energibudget inom ett par decennier.

Det är helt klart ohållbart. Så vad ska man göra?

Den ferroelektriska domänstrukturen av erbiummanganat.

Idag får vi ett slags svar från Nicola Spaldin, en materialvetare vid ETH Zürich, i Schweiz. Spaldin hävdar att materialforskare kan rädda planeten, och deras lösning kommer att vara i form av ett grundläggande genombrott som förändrar hur vi tänker om informationsteknologi och hur vi använder den. Hon framför argumentet – och pekar på en eller två möjliga vägar för detta genombrott – i en mycket underhållande tidning.

Spaldin börjar med att visa hur den mänskliga civilisationen har formats av genombrott inom materialvetenskap. Upptäckten av kompositmaterial som fiber och harts gjorde det möjligt för människor att fästa blad på pinnar för att skapa knivar och yxor.

Den anmärkningsvärda upptäckten av smältteknik, troligen i stenålders keramikugnar, ledde till brons- och järnåldern. Det orsakade radikala förändringar i jordbruket och ledde till etableringen av städer och till och med länder. Metallteknik ledde också till viktiga förändringar inom vapenteknologin och i slutändan, cirka 4 000 år senare, till den industriella revolutionen.

Senare ledde upptäckten av elektronen till utvecklingen av vakuumröret, halvledartransistorn och till mikroelektronik i allmänhet. Det ultrarena kisel som krävs för modern elektronik utvecklades ursprungligen för högfrekventa radarmottagare under andra världskriget.

Vart och ett av dessa genombrott inom materialvetenskap förändrade världen och hur vi interagerar med den. Men ingen av dem var planerade och mycket om det sätt att leva som föregick dem gick förlorat när dessa förändringar inträffade.

Spaldin hävdar att något liknande kommer att krävas för att övervinna kiselenergikrisen. Vi kan inte fortsätta med kisel, så vad kommer att ersätta det?

En möjlighet kan komma från Spaldins egen forskning om multiferroics - material som har både ferroelektriska och ferromagnetiska egenskaper. Vanligtvis är det enda sättet att ändra ett materials magnetiska egenskaper med ett magnetfält. Men Spaldin och andra har visat hur man ändrar de magnetiska egenskaperna hos multiferroics med elektriska fält.

Det har betydande konsekvenser. En stor del av kiselbaserad informationsbearbetning och lagring är beroende av magnetiska egenskaper som måste manipuleras med magnetfält. Möjligheten att göra det mer effektivt med elektriska fält är potentiellt transformerande. Att ersätta magnetfälten i våra befintliga magnetismbaserade teknologier med elektriska fält erbjuder enorma möjligheter till energibesparingar, miniatyrisering och effektivitet, säger hon.

Multiferroics har andra användbara egenskaper. Inuti dessa material kan ferroelektriska dipoler radas upp med olika orienteringar. Dipoler som är inriktade bildar regioner som kallas domäner och gränserna mellan dessa domäner visar sig vara intressanta.

Spaldin säger att dessa gränser bildar ledande kanaler som kan flyttas och omordnas med hjälp av elektriska fält. Detta har potentiell tillämpning i nya minnes- eller informationsbearbetningsarkitekturer, säger hon.

Ytan på dessa multiferroiska material har också märkliga elektroniska egenskaper som kan manipuleras för att katalysera reaktioner som vattenklyvning.

Våra nya multiferroiska material är redo att möjliggöra nya enhetsparadigm, och i sin tur helt nya sätt att designa teknologier, säger hon. Kanske är vi på väg att gå in i en ny multiferroisk tidsålder?

Borta skulle vårt beroende av kisel vara och istället kommer vi att vara beroende av en industri som producerar erbiummanganat eller yttriummanganat eller vismutferrit och en ny generation av mycket energieffektiva informationsbehandlingsenheter.

Spaldin håller inte andan. Det finns många faktorer som avgör teknikens framtid och inget sätt att förutsäga hur de kommer att utvecklas. Multiferroics är en möjlighet men det finns säkert många andra.

Och detta är hennes huvudpoäng. Den historien visar tydligt att den långsiktiga framtiden aldrig är en enkel extrapolering av idag. Istället förändrar störande idéer världen. Och nyckeln är att skapa en miljö där denna störning kan inträffa.

Tanken att materialforskare kommer att skapa denna revolution är dock något tungan i vågen. Det blir förstås fysiker som gör det viktiga arbetet (hosta).

Hon avslutar sitt argument med en passionerad vädjan till regeringar, finansiärer och universitetsadministratörer.

De verkliga genombrotten som kommer att förändra historiens gång kommer inte från initiativ för att förbättra befintliga material eller enheter, eller för att utveckla teknologier som redan har identifierats, säger hon. Istället kommer de från off-beat individer eller små grupper av grundforskare som tänjer på kunskapens gränser i riktningar som det ännu inte finns en ansökan om.

Grundforskning kommer med andra ord att löna sig i silverdollar – om den omsorgsfullt vårdas.

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

Dölj