Одним из главных ограничений развития электроники является постепенное затухание сигнала. Его качество ухудшается даже на небольших расстояниях. Из-за этого на микросхемы приходится устанавливать различные буферы и драйверы, усиливающие сигнал, но ограничивающие конструкционные возможности самого чипа.
По оценкам профессора компьютерной инженерии Техасского университета Стэнли Уильямса, на чипе площадью 1 квадратный сантиметр имеется около 10 тысяч повторителей для передачи сигналов. Еще 12 лет назад он начал размышлять над тем, как можно преодолеть это «сигнальное» ограничение. Ответ Стэнли Уильямс обнаружил в нервной системе млекопитающих.
Аксоны — длинные электрические кабели, которые передают сигнал от нервных окончаний к мозгу. У синих китов — самых больших млекопитающих на Земле — они достигают длины в 30 метров.
Но, несмотря на это, мозг кита очень быстро реагирует, если животное кто-то неожиданно кусает за хвост.
По словам Стэнли Уильямса, такой идеальной передачи сигнала просто не существует в электротехнике. Дело в том, что аксоны, по сути, усиливают идущий по ним сигнал по всей своей длине. Они покрыты изолирующим слоем — миелиновой оболочкой, в которой есть промежутки. Через них в аксон входят и выходят отрицательно заряженные ионы натрия и положительно заряженные ионы калия. Они меняют напряжение клеточной мембраны, перекачивая энергию. Часть полученной в этом процессе энергии поглощается электрическим сигналом, усиливая его.
С математической точки зрения аксон работает на «грани хаоса», то есть сочетает в себе стабильные и нестабильные качества.
Ученые объясняют это на примере седла. Когда лошадь находится в движении, седло обеспечивает наезднику стабильность при раскачивании назад и вперед, но не влево и вправо. В абстрактном пространстве электротехники это колебание эквивалентно колебаниям тока и напряжения.
Команда Стэнли Уильямса предположила, что подобные полустабильные состояния должны существовать в каком-то материале. Выбор пал на оксид лантана кобальта (LaCoO3), сопротивление которого нелинейно изменяется в зависимости от температуры. При правильном наборе условий LaCoO3 может показать отрицательное сопротивление, то есть усилить сигнал.
Ученые продемонстрировали это на устройстве, состоящем из слоя LaCoO3 под миллиметровой металлической пластиной. На металл подавали переменный ток, на LaCoO3 — постоянный.
В результате выходной сигнал оказался сильнее на 70%.
Стэнли Уильямс уверен, что исследование его команды может изменить взгляд на развитие электроники.
