Natuurkundigen maken een met grafeen vergelijkbaar materiaal

Een internationaal team van wetenschappers zegt erin te zijn geslaagd om staneen te maken. Staneen is een tweedimensionale laag tinatomen in een honingraatstructuur, vergelijkbaar met grafeen. Het kunnen maken van het materiaal werd twee jaar geleden voorspeld.

De fabricage lijkt geslaagd, maar de wetenschappers melden in het tijdschrift Nature Materials dat het nog niet gelukt is om te bevestigen of het materiaal de twee jaar geleden voorspelde 'fantastische' elektronische eigenschappen heeft, zoals het geleiden van elektriciteit zonder het opwekken van restwarmte bij kamertemperatuur. Dat komt omdat het materiaal waar de wetenschappers het staneen op vormden een wisselwerking aangaat met de tin-atoomstructuur.

Staneen, afgeleid van het Latijnse woord voor tin stannum, is net als andere hedendaagse platte materialen zoals grafeen, een topologische isolator. Het voordeel van een topologische isolator is dat hij zich binnenin als elektrische isolator gedraagt, maar gelijktijdig de elektronen naar het oppervlak of de randen van het materiaal dwingt. Het idee is dat elektronen die weg dan zonder weerstand kunnen afleggen, iets wat in de meeste gevallen alleen bij lage temperaturen voorkomt.

Het onderzoek van twee jaar geleden naar staneen, dat verscheen in het tijdschrift Physical Review Letters, wees erop dat tin in zijn platte vorm gebruikt zou kunnen worden als materiaal om elektronen op kamertemperatuur te geleiden zonder weerstand. Berekeningen toonden zelfs aan dat een combinatie met fluoride de elektronen tot honderd graden Celsius weerstandsloos moet laten bewegen, maar dat was slechts theorie. De staneen-fluoridecombinatie zou kunnen zorgen voor het inslaan van nieuwe wegen als supergeleiding op kamertemperatuur mogelijk zou zijn, zoals onder meer ExtremeTech en de Amerikaanse universiteit Stanford twee jaar geleden naar buiten brachten.

In een achtergrondartikel op de site van Nature betwijfelt de Duitse natuurkundige Ralph Claessen of het wel zeker is dat er daadwerkelijk staneen gemaakt is. De theorie voorspelt namelijk dat de tweedimensionale structuur een 'knikkende' honingraat moet zijn, waarbij de atomen afwisselend omhoog en omlaag gericht zijn, wat moet zorgen voor geribbelde randen. Dat laatste zou niet goed genoeg zichtbaar zijn geweest op de beelden uit de rastertunnelmicroscoop. De onderzoekers laten met de publicatie van hun artikel zien dat zij wel zeker zijn over het gevormde materiaal. Maar, zoals ook bij grafeen, kan het jaren duren voordat het materiaal toepassingen kan hebben in de praktijk.

Staneen: links de beelden uit de stm, rechts een model van staneen liggend op het substraat van bismuut-telluride. Bron: Nature

Reacties (64)

Ooeee, supergeleiding op kamertemperatuur! Daar kan je echt heel erg leuke dingen mee!

- Hoogspanning is verleden tijd: geen weerstand -> gewone netspanning gebruiken is net zo efficiënt -> niet-efficiënte transformators uit je lichtnet -> minder energieverlies.
- Overal Maglev-treinen (Japanheeft er 1 met supergeleiders)
- Medische toepassingen (kleine, lichte MRI-scanners)

Maar het klinkt misschien allemaal leuk nu, maar helaas gaat hier vaak wat meer onderzoek inzitten dan dat je wilt:

Korte geschiedenis: Het hoofdstuk der supergeleiding begint op 8 april 1911 met de ontdekking van supergeleiding in kwik door de Nederlandse fysicus H. Kamerlingh Onnes. Op een temperatuur van 4.2K ontdekte hij het fenomeen da elektrischet weerstand bij extreem lage temperatuur kan verdwijnen in bepaalde stoffen.

Kwik is onderdeel van de zogenaamd Type I supergeleiders. Deze groep bestaat voornamelijk uit elementen met een zeer lage kritische temperatuur (de temperatuur waarbij supergeleiding voorkomt, dit verschilt per materiaal). Dit ligt allemaal zo rond de kooktemperatuur van helium (4.2K). Kooktemperatuur wil dus zeggen dat het op dit punt een faseovergang plaatsvindt, in dit geval vloeibaar <--> gas.

In de jaren 50/60 kwamen de Type II supergeleiders om de hoek kijken. 1 daarvan is NbTi (Niobium-Titaan). Als je ergens in de afgelopen 35 jaar (eerste leesbare en bruikbare MRI-scans werden in 1980 behaald) in een MRI-scanner hebt gelegen is de kans bijna 100% dat de supergeleiding die nodig is voor een MRI met dit materiaal werd behaald.

1986: bij IBM zijn er 2 ingenieurs die een materiaal ontdekken met een zeer hoge kritische temperatuur: zo rond de 35 Kelvin (wat nog steeds -238 C is...). De doorbraak kwam bij de stof YBCO met een kritische temperatuur van 93K. En zoals misschien bij die-hard overklokkers wel bekend is: de temperatuur van van vloeibaar stikstof is -196 C, oftewel 77K. Koeling met het veel goedkopere en veel betere verkrijgbare vloeibare stikstof was behaald! Hiermee begon het tijdperk van de High-T_c supergeleiders (een subgroep van de Type II supergeleiders).

Dat was 1987. Bijna 30 jaar geleden. Maar op een aantal tientallen kilometers aan hoogspanningskabel is er nog bijna geen toepassing van deze materialen in de echte wereld. Reden: De materialen zijn bros (brokkelt af, net als het grafiet in potlood) en hebben allemaal spastische materiaaleigenschappen waardoor ze amper toepasbaar zijn. Enkele jaren geleden waren er een aantal bedrijven in staat om via zeer ingewikkelde chemische en fysische processen kabels te maken met een lengte van 1 km. Langer lukt niet doordat de uniformiteit afneemt. Ter illusitratie: in een MRI-scanner zitten tientallen, zowel enkele honderden kilometers aan supergeleidende bekabeling. We zijn er dus nog lang niet.

Staneen lijkt op het eerste opzicht erg interessant. Maar er zijn meer wetenschappelijke vondsten die op het eerste gezicht wel interessant blijken, en dat dan toch niet zijn. Ik blijf sceptisch, en de komende 2 decennia gaan we waarschijnlijk meer zien van de 'ouderwetse' supergeleiders.

Bron: Onderzoek gedaan naar supergeleidende materialen voor het project Materiaalkunde, onderdeel van de studie Werktuigbouwkunde aan de TU Delft

Even voor mijn begrip, en misschien voor andere leken op dit gebied:

De magneetspoelen in MRI scanners zijn van NbTi gemaakt, en worden gekoeld met vloeibaar helium?
(ik dacht altijd dat 't gewoon koper was op 4K)

Juist! Koper is géén supergeleider! Dat komt door een bepaald natuurkundig verschijnsel geheten Cooper-paren.

Op kamertemperatuur zijn zilver, goud en koper juist zeer goede geleiders. Dit komt omdat ze 1 zogenaamd valentie-elektron hebben. Korte uitleg: een atoom bestaat uit een 'vaste' kern met daarin twee soorten deeltjes: protonen en neutronen. Om deze kern vliegen veel kleinere deeltjes in cirkels: elektronen. Net als met banen om de aarde zijn er banen die dichtbij de kern zijn en banen die ver vanaf zijn. Elke baan wil een bepaald aantal aan elektronen bevatten. Als dat aantal precies goed is, is het atoom helemaal stabiel en reageert het bijna nergens mee (dit zijn de edelgassen). Bij koper, zilver en goud zit er in de buitenste baan (vaak een schil genoemd) maar 1 elektron. Dat elektron is negatief geladen en kan zodoende elektrische stroom vervoeren (niet helemaal correct fysisch gezien, maar wel de makkelijkste manier om het uit te leggen). Doordat de schil maar 1 elektron bevat, wil het atoom die graag kwijt, zodat hij alleen nog maar gevulde banen overheeft (een volgende baan wordt pas aangevuld als de vorige vol is).

Bij een Cooper-paar heb je, zoals de naam doet vermoeden, 2 elektronen nodig. Daarom zijn koper, goud en zilver geen supergeleiders.

Edit: Misschien was dit nog niet helemaal duidelijk, waarom je supergeleiding in een MRI wilt.

Een MRI werkt door een belachelijk sterk magneetveld op te wekken, meestal in de range van 1,5 tot 3,0 Tesla (ter vergelijking, het aardmagnetisch veld is in orde grootte van 10^-6 Tesla). Een magneetveld kan worden opgewekt met een spoel waar je een elektrische stroom doorheen jaagt. En nee, we hebben het niet over milliampères, meer over 100 tot enkele honderden ampères. Als je dat door een koperkabel wil duwen heb je een hele dikke kabel nodig in verband met de weerstand van zo'n draad. En om een zo hoog mogelijk magneetveld te krijgen, heb je zoveel mogelijk windingen nodig. Dus je wilt een dun draadje met heel veel stroom. Anders kan het gewoon niet. Een leuke bijkomstigheid is dat je de stroom er maar 1 keer in hoeft te stoppen. Omdat er geen weerstand is, gaat er geen elektrische energie verloren. MRI-scanners staan dus altijd 'aan' (de hoofdmagneet dan).

Hoeveel kracht moet je nou voorstellen bij zo'n magneet? Er zijn altijd mensen die daar een leuk filmpje van maken. SPOILER: aan het eind komen ze tot 2000 lbs aan trekkracht, dat is omgerekend bijna 9000 Newton (which is a lot).

Nog even een bron erbij gezocht..

[Reactie gewijzigd door Micktator op 4 augustus 2015 12:42]

Je legt niet uit waarom de elektronen van een Cooper pair van precies 1 atoom moeten komen. Daar is wel een goede reden voor: de 3 metalen die je noemt hebben een "FCC" kristalstructuur bij de lage temperaturen, die paarvorming tussen naburige atomen belemmert.

Overigens is lood op 4K wél supergeleidend. Dat is dus een goed alternatief voor koper.

Ik was een beetje het evenwicht aan het zoeken tussen 'kort maar krachtig' en 'lang maar compleet'. Wat jij zegt is helemaal waar (volgens mij verwijs je ook naar dezelfde bron uiteindelijk namelijk )

Maar nog een opmerking over lood als supergeleider. Allereerst nog een korte uitleg (leuk, maar uitgebreid onderwerp dat supergeleiding). De supergeleidende staat van een materiaal is afhankelijk van

• De temperatuur
• De stroomdichtheid
• Het omliggende magneetveld

Tussen deze 3 waarden zit een driehoeksverhouding: Als 1 nadert naar zijn minimumwaarde moet de rest rond zijn maximumwaarde zitten. Zo kan je een supergeleider precies op zijn kritische temperatuur houden, maar dan moet het omliggende magneetveld 0 zijn en mag er bijna geen stroom doorheen lopen. Als 1 van deze waardes zijn minimumwaarde niet haalt dan zal er geen supergeleiding zijn. Voor lood gelden deze waarden: Temperatuur kleiner dan 7.22K, omliggend magneetveld kleiner dan 83 milliTesla en stroomdichtheid minder dan 10⁶ A/m². Je ziet dus dat lood al bij een vrij laag magneetveld zijn supergeleiding verliest. Een vrij slappe koelkastmagneet is al ongeveer 5 milliTesla en sterkere magneten (zoals in dat fantastische speelgoed met die staafjes en balletjes) komen al gauw in de buurt van 83 milliTesla. Dus ja, Lood is een supergeleider, maar dat is alleen theoretisch leuk. Een speaker naast een supergeleider van lood kan al funest zijn. Theorie: ja, praktijk: meh.

Dat er geen elektrische energie verloren gaat kan niet kloppen, immers het magneetveld veroorzaakt inductie en zodoende gaat er energie vanuit dit systeem verloren.

Een magnetisch veld op zich veroorzaakt geen inductie. Het is de interactie van het magnetisch veld met een ander object

Dat electronen in cirkels rond de kern vliegen is volgens mij niet helemaal juist

Dat electronen in cirkels rond de kern vliegen is volgens mij niet helemaal juist

Dat is inderdaad niet helemaal correct, maar om het nou over de boeg van het kwantummechanica effect in combinatie met kansverdeling te gooien lijkt me ook wat overdreven. Het is en blijft een techsite, geen wetenschappelijk forum Dit is praktische omschrijving die de realiteit genoeg benaderd om dit probleem voor een deel te begrijpen.

Waarom denk je dat dit een supergeleider is? Het Standford artikel vermijdt die term zorgvuldig, en ik zie ook geen aanleiding om te vermoeden dat dit een supergeleider is. In het bijzonder hebben supergeleiders de eigenschap dat het magnetisch veld in een supergeleider 0 is. Deze 2D staneenlaag heeft uiteraard geen intereur.

Het onderzoek van twee jaar geleden naar staneen, dat verscheen in het tijdschrift Physical Review Letters, wees erop dat tin in zijn platte vorm gebruikt zou kunnen worden als materiaal om elektronen op kamertemperatuur te geleiden zonder weerstand.

Geleiden zonder weerstand noemen we volgens mij supergeleidend. Nou moet ik eerlijk zeggen dat ik de achtergrondartikelen nog niet heb gelezen. Maar uit deze zin zou je kunnen afleiden dat je het materiaal mag beschouwen als 3D-materiaal.

Het voordeel van een topologische isolator is dat hij zich binnenin als elektrische isolator gedraagt, maar gelijktijdig de elektronen naar het oppervlak of de randen van het materiaal dwingt.

EDIT: Even in het Stanford artikel gelezen, waar ik deze zin in vind:

When topological insulators are just one atom thick, their edges conduct electricity with 100 percent efficiency.

100% efficiëntie is alleen haalbaar zonder weerstand = supergeleiding. Althans, hetzelfde resultaat als supergeleiding, wil niet betekenen dat het precies hetzelfde fenomeen als supergeleiding. Al weten we eerlijk gezegd naast de Type I en een deel van de Type II ook nog niet hoe supergeleiding werkt. De zogenaamde BCS-theory stopt zo rond de 30K.

[Reactie gewijzigd door Micktator op 4 augustus 2015 13:00]

Nee, geleiden zonder weerstand kan ook met een constant magnetisch veld in de geleider, terwijl supergeleiders 0 magnetisch veld hebben. Essentieel verschil. (0 is een constante, dus elke supergeleider is een perfecte geleider maar niet andersom).

Waarom maakt dat uit? Die Maglev treinen die zweven op een magneetveld boven een supergeleider zouden op de rails blijven staan met een "gewone" perfecte geleider. Dat komt precies omdat de supergeleider 0 magnetisch veld intern heeft. De magnetische veldlijnen uit een permanente magneet moeten dus omkrullen om de supergeleider heen. Dat veroorzaakt het afstotende effect. Zonder supergeleiding zouden die veldlijnen recht door de perfecte geleider lopen en daar een permanent veld in opwekken. Dat plakt de Maglev trein juist aan de baan vast - het tegenovergestelde effect !

Een supergeleider kan wel een magnetich veld in zich hebben... Maar hij kan geen veranderend magnetisch veld hebben. Dat zou immers een inductie stroom opwekkend, die omdat hij geen weerstand heeft, de verandering 100% tegenwerkt. Het magnetisch veld wordt dus "bevroren". Daarom dat een magneet blijft zweven boven een supergeleider, in plaats van er door afgestoten te worden, en er af te vallen.

juist het afstoten zorgt toch voor het zweven?

Ehm, ik denk dat we in een steady-state versus fase-overgangsprobleem komen. Als je een inductiestroom zou "bevriezen" die een magneetveld opwekt, dan breidt dat veld zich met c in de ruimte uit en de veldenergie neemt dan onbeperkt toe.

Denk ik. EM I & II aan de TU was 1991

Een Maglev trein werkt niet met het Meissner effect wat jij hier beschrijft. Die werken door simpelweg handig gebruik te maken van noord en zuidpolen (al dan niet opgewekt met supergeleiders). Er zijn naar mijn weten geen treinen waarbij de er gebruikt wordt gemaakt van het Meissner effect (voor zover ik weet zijn dit de huidige technieken.

Dat een supergeleider geen intern magnetisch veld heeft is juist (al heeft type II ook een staat waarin het een deel van de veldlijnen doorlaat.

Maar is er een voorbeeld van geleiden zonder weerstand met een constant magneetveld? Ik ken het in ieder geval niet en ben erg nieuwsgierig als het wel zo is (weer wat geleerd zullen we maar zeggen )

De huidige Maglevs doen dat inderdaad niet om de praktische reden dat je geen supergeleiders bij kamertemperatuur hebt. Maar ik denk dat ik ergens een draadje gekruist heb want die Maglevs kwamen ergens hieronder voorbij.

het supergeleidend effect verdwijnt helaas wanneer stroom/oppervlakte te hoog wordt, hoogspanning zal je toch nog nodig hebben als je materiaal wilt besparen.

Uit mijn losse hand zou ik het niet meteen durven zeggen. Rekenen dan maar

Op http://www.hoogspanningsnet.com/ kwam ik de volgende waardes tegen voor de gebruikelijke 380 kV lijnen in Nederland: een maximaal vermogen van 1200-1600 MW en een gebruikelijke doorsnede van 460 mm². Voor de lol gaan we eens uit van 1400 MW en een 460 mm² doorsnede.

Fujikura is een Japans bedrijf dat zogenaamde 2G HTS kabels maakt. Oftewel, kabels die als supergeleidende eenheid een high temperature supergeleider hebben, en dan wel eentje uit de (Re)BCO familie, waarbij Re een rare-earth element is (meestal yttrium (YBCO) of gadolinium (GdBCO)). Op deze pagina onder het kopje features zijn wat eigenschappen van deze draad te vinden.

De waardes die we nodig hebben is dat het de uiteindelijke draad 0.11 mm dik is en 10 mm breed is. Het heeft dan een transportcapaciteit van >500A. Laten we uitgaan van 500A. Aangezien we de transformators uit het proces willen hebben willen dus het netwerk op 230V laten lopen.

Even formuletje maken: (Doorsnede oppervlakte 380kV draad / doorsnede oppervlakte 2G HTS draad) * (spanning * amperage per draad) = totale vermogen

Dat wordt dus: (460 / 1.1) * (230 * 500) = 48 MW.

Hmm, dat had ik niet helemaal verwacht. U heeft helemaal gelijk!

wsl krijgen ze er wel meer stroom door als ze die kabel wat uitsmeren, dat zou het magnetisch veld iig plaatselijk moeten doen afzwakken... Is dat ook niet de reden waarom ze nu al een 'rechthoekige' kabel met een verhouding van 10 op 0.11 gebruiken? Leuke berekening iig, bedankt!

Ik denk dat de beperkende factor niks meer met magneetvelden te maken heeft. Ik denk dat de beperkende factor gewoon de doorsnede van het materiaal zelf is. Zoals je op deze site van SuperPower Inc. kan zien is de laag van geleidend materiaal slecht 1 micrometer dik! Die dikte heeft weer te maken met het mindboggling gecompliceerde productieproces om tot deze draden te komen (geneuzel met kristalstructuren en meer feestelijke materiaaleigenschappen).

Google eens op quantum levitation, ook in youtube. Je zult versteld staan van wat je daarmee kunt doen.

Begrijp ik het goed dat dit mogelijk een super conductor op kamertemperatuur moet is?

Ja en nee. Het Tweakers artikel maakt wel enige hints, maar supergeleiders hebben meer eigenschappen dan alleen perfecte geleiding.

Vergeet ook niet dat de suggestie hier is dat alleen het oppervlak een perfecte geleiding heeft. Als je dus een staneen kabel maakt van 1 mm dik, dan heb je in dwarsdoorsnede dus alleen een ring van 3.14 millimeter omtrek en 1 atoom breed die geleidt. Dat is niet heel erg veel. De bulk van je kanel aan de binnenkant is blijkbaar niet supergeleidend.

vergelijkbaar dus met het skin effect in audio kabels?

Daar zijn de kabels met vezels ook beter dan massive kabels

EDIT: Hoewel het effect daar tot de 20.000 Hz maar ongeveer 3% is. Bij hogere frequenties is het beter merkbaar. De echte audiofiel zal nu roepen dat mensen idd maar tot 20.000 kunnen horen, maar dat een 10.000 Hz blokgolf uit harmonischen bestaan tot in de 100.000 Hz. enz enz enz. Maar gaat om skin effect. vergelijking

[Reactie gewijzigd door Fiander op 4 augustus 2015 15:07]

Tja, als professioneel audio-wetenschapper merk ik dan op dat die trilhaartjes in je oren de harmonischen op 25 kHz niet gaan volgen, dus boeien dat die erin zitten.

Maar het probleem hier is dat het verschil tussen perfecte geleiding en niet-perfecte geleiding 100% is. Dat is een vrij extreem skin-effect.

Sterker nog: De binnenkant is helemaal niet geleidend, en juist daardoor is de buitenkant supergeleidend. Als ik het goed begrepen heb.

De industriële toepassingen van supergeleiding op kamertemperatuur zijn ontelbaar.
- processors in de THz en PHz range
- kleine kabels waar super hoge voltages/amperages doorheen kunnen
- wrijvingsloze oppervlakken

Dus go science go!!!

- processors in de THz en PHz range

Uh, probleem met processorfrequenties zit hem in de schakelsnelheid van transistoren, en de benodigde tijd om informatie te verplaatsen over de chip. Ook supergeleidende materialen vervoeren informatie nog steed met maximaal de lichtsnelheid. En voor schakelen heb je halfgeleiders nodig, geen supergeleiders.

- kleine kabels waar super hoge voltages/amperages doorheen kunnen

Hangt van de prijs af. Waarschijnlijk is een dikke koperen kabel veel goedkoper, ook op lange termijn als je de verliezen meerekent.

- wrijvingsloze oppervlakken

Ik wist niet dat dat met supergeleiding te maken had, leg eens uit, ben altijd nieuwsgierig naar dit soort weetjes.

Ik zie niet in waarom je argumenten tegenwerpingen zijn. Ja, het schakelend materiaal van een chip is een halfgeleider. Het probleem is dat die schakelen door genoeg elektronen naar die transistor te verplaatsen danwel genoeg elektronen af te voeren. De beperking in de schakelsnelheid is direct gekoppeld aan de mogelijkheid om die elektronen snel te vervoeren. En zoals Tweakers weten: de stromen die daarbij lopen veroorzaken nu hitte, en da's niet goed voor je chip.

Een supergeleidende verbinding maakt het misschien mogelijk om elektronen sneller af en aan te voeren, en in elk geval zonder warmteproductie. Daardoor schakelt elke transistor sneller, en kan de klok ook omhoog.

Ook je argument over supergeleidende kabels (duurder dan koper) is misschien waar, maar soms is die extra prijs de moeite waard. Denk aan radarsystemen aan boord van vliegtuigen, of de kabels in een Tesla. Het meeslepen van extra kilo's koper is daar ongewenst.

Supergeleidende materialen stoten magneten af (Meissner effect), wat dus inderdaad gebruikt kan worden voor frictieloze glijlagers.

sec gezien kan de klok omhoog en het zal voor bepaalde schakelingen ook mogelijk en zeer nuttig zijn. Echter heb je ook te maken met het timing issue wat processoren parten gaat (en nu al doet) spelen (wat cdwave aangeeft).

voorbeeld voor een processor kloktick :
1Ghz = 1x10-9 hertz, maal lichtsnelheid (idealiter) = 30CM; 4Ghz zit je dan op 0,75CM.
1Thz = 1x10−12 hertz. maal lichtsnelheid (idealiter) = 0,30MM.

dus in 1 kloktick op 1 thz kan de data maximaal 0,30 mm afleggen, je cpu moet dus extreem klein worden.

Ik kan je vertellen dat een modern CPU ontwerp al de propagatie van de kloktikken meeneemt. Dat is allemaal niet erg, want je CPU heeft een bekende grootte.

Ook het feit dat je data maar 0.3 mm/tik aflegt is niet erg. Kijk naar Ethernet. Een 1 Gbit/s kabel heeft elke nanaoseconde een bit, die dus ~20 cm (in koper) of 30 cm (in glas) lang is. Maar ethernet kabels zijn langer dan 30 cm. Er zitten dus meerdere bits achter elkaar in 1 kabel. Dat kan gewoon.

Voor een seriële bus is dat geen enkel probleem. Maar als je meerdere datakanalen hebt begint het gedonder al. Gigabit ethernet gebruikt alle vier de aderparen in een UTP kabel als vier differentiële datakanalen. Zolang de lengteVERSCHILLEN tussen die vier aderparen niet te groot zijn gaat het goed en komt het hele signaal redelijk synchroon aan.
Op een moederbord kan een printspoortje wat net wat korter 'door de bocht' gaat betekenen dat de ontwerper 'terug moet naar de tekentafel'. Signalen komen niet meer synchroon aan en de boel gaat spoken.
Een CPU bestaat uit verschillende onderdelen van ieder (veel) meerdere transistoren. In ieder geval per onderdeel (bijvoorbeeld een ALU of een opcode pipeline of een microcode vertaler) moeten die transistoren tegelijk schakelen, allemaal (met een kleine marge) op de kloktikken. Stel dat een signaal aan een 'kant' van het onderdeel van invloed is op de andere kant en de afstand die het signaal moet afleggen (met de snelheid van het licht) en daarmee de tijd dat het onderweg is, is groter dan de 'ruimte' tussen twee kloktikken... dan komt het signaal dus pas aan tijdens de volgende kloktik. Dan moet je onderdeel dus voor z'n werk meerdere kloktikken de tijd nemen, alleen omdat de signaalpaden te lang zijn. Dat gaat dus direct ten koste van de prestaties van je processor.
Dus de maximum kloksnelheid van een processor is wel degelijk direct afhankelijk van het gebruikte halfgeleiderfabricageproces. Zelfs al zou de processor zich gedragen als een theoretisch ideale processor die geen warmte produceert en niet gekoeld hoeft te worden; waarvan alle onderdelen gemaakt zijn van supergeleidend materiaal en er geen schakelverliezen zijn. Hoe fijner het halfgeleiderfabricageproces is, hoe hoger je theoretisch maximale kloksnelheid waarbij die wordt bepaald door het langste pad wat twee transistoren in je ontwerp met elkaar verbinden die in dezelfde kloktik moeten schakelen.

Een supergeleidende verbinding maakt het misschien mogelijk om elektronen sneller af en aan te voeren, en in elk geval zonder warmteproductie. Daardoor schakelt elke transistor sneller, en kan de klok ook omhoog.

alleen los je daarmee het probleem op van de aan/af voer van elektronen, daar zit doorgaans het niet door jou genoemde probleem van hitte. De hitte in een processor / chip treed meestal op door de weerstand in de transistoren. Dus, zonder supergeleidende / weerstandloze transistoren blijf je dat probleem houden, toch?

je zal de interconnects wel sneller kunnen maken, en dat zal vast al schelen in de operationele snelheid van het geheel, maar het wordt pas echt spannend als op basis hiervan transistoren gemaakt kunnen worden.

oeh, stel je eens voor, dat zou een compleet nieuw tijdperk inluiden.

offtopic:
Ik wil geen azijnzeiker zijn, maar dit soort informatie mis ik dus vaak in dit soort artkikelen. Wat kun je er mee! Daar gaat het er bij velen om. Gelukkig is die informatie (vaak) te vinden in de comments.

Los van dat, weer een super ontwikkeling! Een processor op die snelheden, je kan het je haast niet voorstellen...

Processoren in de THz range laat staan PHz range zijn in de praktijk niet te maken ook al is het materiaal supergeleidend.

Dit is pure fantasie. Dit is bij de grafeen discussie een tijdje terug al uitvoerig besproken.

En zo zouden we ook nooit naar de maan kunnen, en was het ook nooit mogelijk om te vliegen.

Het probleem is dat je op een bepaald moment weer van supersnel supergeleidend naar "traag" niet-super-geleidend moet. Daar zit de catch

De electronen gaan nog steeds net zo snel. In normale geleiders heb je alleen warmteontwikkeling.

En het is oa die warmte ontwikkeling die het probleem is. Je hebt dan theoretisch geen verliezen in je supergeleider, maar je moet die toch connecteren met de niet supergeleidende wereld. En zoals iedereen weet, is de traagste schakel de bepalende factor in een proces. Maw: PHz processoren: niet met dit materiaal in elk geval .

En nog vele andere: motoren, generatoren (bijvoorbeeld windturbines), magneettreinen, lange-afstand elektriciteitstransport en nog vele, vele andere toepassingen... Het is een heilige graal.

[Reactie gewijzigd door ATS op 4 augustus 2015 11:14]

Het is nog afwachten hoe dit materiaal kan worden verwerkt.
Op papier kan het een prachtig zijn, maar indien het in de praktijk moeilijk te hanteren is, of dat andere stoffen er makkelijk vat op kunnen hebben, soort corrosie vb, dan heb je er nog weinig aan.

Ik wil niet je droom verpulveren, maar dat is niet mogelijk met grafeen (of welk bekende stof dan ook). ik ben geen wetenschapper maar ik weet dat PHz ergens voorbij infrarood licht ligt, elektronen hebben massa fotonen niet.
Zelfs in super geleidende condities kun je deze frequenties niet halen, zeker niet als blokgolf (klok) wegens effecten die erbij komen kijken bij kleine golflengtes (effecten die ik totaal niet snap).

echter is dit NU nog niet te doen, niemand kan zeggen hoe dit er over 20 jaar uitziet.

Dus? De snelheid van elektronen in Slicium is enkele meters per seconde (!) Maar stromen lopen veel sneller, want die gaan met de snelheid van elektromagnetische velden : ongeveer 200.000.000 meter per seconde in silicium.

Het probleem is de afstand, niet de geleiding.
Zoals je al aangeeft, gaat de stroom nú al met >60% van de lichtsnelheid. (2 * 10⁸) Dat maakt dus weinig uit als je 100% van de lichtsnelheid zou halen. Niet eens een factor 2.

De afstand die je op 1 GHz kunt afleggen is 2*10⁸ / 10⁹ = 2* 10^-1 meter: Dus 20 cm. Dat is dus de afstand waarover een verandering in spanning bij je doel aankomt.
Ga je naar 1 Thz, dan is de afstand nog slechts 0,2 mm! Kijk eens hoe groot een cpu chip is... Dat past dus simpelweg niet...
Laat staan PHz, waarbij je nog slechts 0,2 micrometer afstand kan overbrukken.

Je noemt voor 1GHz 20 CM welke afgelegt kan worden, deze 20CM is exclusief de schakelsnelheid van transistoren. daar gaat ook tijd in zitten. effectief kan er maar een paar cm per klokpuls afgelegt worden.

Het probleem van de afstand word in moderne cpu's opgelost doormiddel van langere pipelines. Elke stap binnen de pipeline hoeft maar een klein gedeelte van het probleem op te lossen. en door de stappen in de pipeline maar klein genoeg te maken kan een cpu prima op 1THz werken, dat is geen probleem. echter worden de pipelines daardoor zo lang dat er ontzettend veel werk verloren gaat wanneer er een opdracht komt waarbij de verwachte flow van instructies afwijkt.

stel je heb een cpu met een pipeline van 1000 stappen. en er komt elke 50 instructies een keuze moment met een sprong. ( in het echt gemiddeld op de 20 instructies ) dan zou na elke 50 stappen in de pipeline de pipeline moeten stoppen met het accepteren van nieuwe instructies waardoor de pipeline leeg blijft, of een berekende keuze moeten maken over de sprong en hopen dat de keuze goed was.

Alle twee niet optimaal. lange pipelines heeft alleen zin wanneer de compiler 100% controle heeft over wannneer welke instructie aankomt, en er slechts één programma draait.

De P4 is een voorbeeld van een lange pipeline zonder compiler ondersteuning. en de Itanium is een voorbeeld van een CPU met Compiler ondersteuning.

De P4 werk door de lager geklokte Athlon voorbij gerent, En de Itanium was dankzei de compiler voor een te beperkte markt.

p.s. alvast excuses richting de spelcheckers.

Zoals ik in een andere reactie al opmerkte. volgens die logica zou een Gigabit Ethernetkabel maximaal 20 centimeter lang kunnen zijn.

Je verhaal klopt niet omdat een elektrische golf een lopende golf is. Daar kun je probleemloos een tweede golf achteraan sturen. De belangrijkste eis is dat je verbinding correct getermineerd is. Denk aan de "50 Ohm" coax-kabels die je uit je studie waarschijnlijk nog wel kent. Dat was niet de weerstand van de kabel zelf, maar de impedantie die je op beide einden moest aansluiten.

Was grafeen niet een soort nieuwe asbest? hoe zit het met staneen?

Grafeen is biologisch afbreekbaar dus zo'n vaart zal het niet lopen.

Anthrax en ebola zijn ook biologisch afbreekbaar. Dat wil nog niet zeggen dat ze goed voor je zijn. Het feit dat grafeen biologisch afbreekbaar is wil nog niet zeggen dat het niet kankerverwekkend kan zijn. Waarmee ik overigens niet zeg dat het zo is, ik heb me niet zo ingelezen op het onderwerp.

Antrax en ebola zijn geen stoffen maar pathogenen, actieve ziekteverwekkers. Beetje appels met peren vergelijken dus. Ik doelde erop dat er al 1 belangrijk verschil is tussen asbest en grafeen, namelijk de afbreekbaarheid.

Als je alles gaat aanmerken als potentieel kankerverwekkend omdat er geen tegenbewijs is dan is de rationele discussie snel onmogelijk.

Het ging erom dat grafeen blijkbaar gevaarlijk kon zijn. Dat iets biologisch afbreekbaar is doet daar niks aan af. Natuurlijk vermindert het potentiële problemen maar het lost ze niet op.

Ik vermoed trouwens dat het niet zo'n vaart zal lopen met hoe slecht dit spul voor je is. Het is fundamenteel ander spul dan grafeen. Bovendien is het een geleider, dus isolatie is toch al een must.

De hele afbreekbaarheid van een houtvezel ten opzichte van een asbestvezel maakt nou juist wel het verschil. Ik zeg niet dat iets ongevaarlijk is, maar de persoon waar ik op reageer noemt het 'een soort nieuwe asbest'. Waar jij het vandaan haalt dat 'Het ging erom dat grafeen blijkbaar gevaarlijk kon zijn' snap ik niet want dat zegt hij ook niet zo algemeen.

Grappig genoeg zeg je nu zelf ook dat het niet zo'n vaart zal lopen, dus eigenlijk bevestig je alsnog mijn originele reactie

Ik trek dezelfde conclusie uit een andere argumentatie.

Grafeen is biologisch afbreekbaar dus zo'n vaart zal het niet lopen.

dat betekend niet dat het - voor het afgebroken is - flink wat schade heeft kunnen veroorzaken.

De BB's waarmee ik bij airsoft schiet zijn ook biologisch afbreekbaar. Dat betekend echter niet dat ze na 1 regenbui foetsie zijn. Die dingen zijn na maanden een keer weg, en hebben als belangerijkste voorwaarde dat ze daarbij geen schadelijke stoffen/verbindingen achterlaten in het millieu.

Betekend niet dat als je met je hand in een BB scherf valt je geen nare wondjes kunt overhouden.

Datzelfde heb je met nanodeeltjes in je longen, die hebben eigenschappen die het weefsel ernstig kunnen beschadigen, met alle gevolgen van dien. ( en soms je DNA aan kunnen passen ). Maar prima biologisch afbreekbaar verder.

Net als wat ik bij NMe hierboven zeg: ik geef enkel een verschil aan ten opzichte van asbest. Ik verwacht alleen al daarom dat het minder gevaarlijk zal zijn. Natuurlijk moet dat onderzocht worden en natuurlijk heeft het wel de potentie gezien de schaal waar het soms op geproduceerd wordt (nano inderdaad), maar dat verschil blijft. En dat maakt ook het verchil met andere koolstofstructuren zoals diamant die ook niet afbreekbaar zijn.

Ik snap eigenlijk niet wat dat met je BB speelgoed te maken heeft, ik heb het puur over koolstofstructuren en niet over de rest van de wereld en de afbreekbaarheid daarvan.

[Reactie gewijzigd door Lekkere Kwal op 5 augustus 2015 10:15]

ja grafeen is een materiaal dat eigenschappen heeft vergelijkbaar met asbest - onder andere het feit dat nanodeeltjes vaak (zoniet altijd) kanker verwekkend zijn.. anderzijds asbest was een bouwmateriaal, dat is heel wat anders dan een laatje ingebed in een pcb... de bloodstelling aan grafeen zal makkelijker veilig te houden zijn dan met asbest destijds.

PCBs niet doorzagen dus

Moet je nu ook al niet doen. Het materiaal waar PCB's van gemaakt zijn is ook niet al te fijn ;-)

is het niet juist heel fijn , waardoor het niet zo fijn is voor je lichaam ?

Dat zeg ik, 'niet fijn'-voor je lichaam ;-) Omdat het idd heel fijn is (glass fibre)

Stanford zegt het volgende: "“The magic of topological insulators is that by their very nature, they force electrons to move in defined lanes without any speed limit, like the German autobahn,” Zhang said. “As long as they’re on the freeway – the edges or surfaces – the electrons will travel without resistance.”

Bedoelt tweakers dát met de "nieuwe wegen" waar stanneen voor kan zorgen?
Zoals vaker is het artikel íets te veel een vertaling en niet een omzetting in het Nederlands met behoud van de context.

De analogie van Stanford is eigenlijk niet kloppend. Een speed limit = een beperking van buitenaf. Die is er wel degelijk bij elektriciteit (namelijke de lichtsnelheid) en dat los je niet op met een weerstandsloze geleider. Het limiet is namelijk ook helemaal niet waar het om gaat, het gaat om de weerstand. De weerstandsverliezen zorgen A. voor meer benodigde energie om mee te beginnen (zendvermogen) en B. voor een restproductie, meestal warmte en straling (of een veld).

Daar gaat de analogie ook stuk, de snelheidslimieten op de snelweg bepalen niet of jij veel of weinig weerstand hebt met je voertuig, dat bepaalt het gewicht, aerodynamiek, banden en interne weerstand van je aandrijving. Als jij een voertuig kan ontwikkelen dat praktisch geen weerstand heeft dan wordt vervoer opeens stukken goedkoper, mits de aanschafprijs niet oneindig groot is natuurlijk

"Natuurkundigen maken met grafeen vergelijkbaar materiaal" => "Natuurkundigen maken materiaal, vergelijkbaar met grafeen" was IMHO een betere titel geweest. Ik heb hem 5x moeten lezen, samen met een deel van het artikel voor ik doorhad dat ze geen nieuw materiaal met grafeen gemaakt hadden...

Verder wel mooie ontwikkeling dit