工程师正在开发原子级厚度的材料以打造高效、超快、基于光学的电子设备

中间的Matthew Panthani，左边的博士生Maharram Jabrayilov和右边的Andrew Tan正在观察装有硅量子点的瓶子，这些纳米粒子具有由尺寸决定的光和颜色等特性。纽约和波士顿的科学家因发现和发展量子点而荣获2023年诺贝尔化学奖。大图。照片由Christopher Gannon/爱荷华州立大学拍摄。

爱荷华州艾姆斯市——一段谷歌云视频将带您走进位于

爱荷华州西南部考夫曼县的谷歌数据中心。

画面中，您身处一条长长的工业走廊中间。您缓缓走过一排又一排计算机服务器机架，谷歌表示这些服务器“24小时不间断地帮助互联网保持顺畅运行”。

这种顺畅运行的部分动力来自于维持这些数据中心运行所需的电力。

“想想您使用电脑的时候，”爱荷华州立大学化学与生物工程副教授Matthew Panthani说道，“电脑会变热，对吧？处理器进行计算时会消耗能量。这会产生热量，即浪费的能量。”

现在，随着人工智能技术向所有人开放，“美国的能源消耗量激增，”Panthani说。“我们该如何解决这个问题呢？”

工作中的光子

Panthani关于能源消耗激增的说法是正确的。

根据非营利性独立能源研发组织电力研究院（EPRI）5月发布的一项研究，到2030年，数据中心可能会消耗美国多达9%的发电量——是当前消耗量的两倍多。

研究表明，转向人工智能工具是能源消耗激增的原因之一。人工智能搜索所需的电力大约是传统互联网搜索的十倍。而由人工智能生成的照片、视频和音乐则需要更多的电力。

Panthani的解决方案并不是一个新想法，但一直具有挑战性：“使用集成光子学。让我们使用光而不是电在芯片上传输数据。”

“光纤已经在全球范围内解决了这个问题，”他说。“这是用光传输数据的相同概念。它高效且快速。但芯片领域尚未实现这一点。”

Panthani表示，这是因为存在材料问题。半导体首选的材料是硅，而硅不发光。

如此排列原子

自2017年以来，Panthani的实验室一直在研究用于集成光子电路的新材料。该实验室当前的重点是开发原子级厚度的硅锗合金薄片。这些薄片可以堆叠起来，层与层之间用锂或盐等碱金属离子隔开，从而形成层状半导体。

美国国家科学基金会提供的一项为期三年、金额552,000美元的拨款将支持Panthani的最新半导体开发工作。博士生Andrew Tan、Abhishek Chaudhari和Maharram Jabrayilov将参与这项工作。该拨款还将让高中教师在夏季月份进入实验室，通过了解科学研究来提高他们的教学水平。

除了“精确控制材料中原子排列”来合成半导体外，项目摘要表示，研究人员还将研究结构和化学如何影响半导体的光学和电子特性，并确定其热稳定性和环境稳定性。所有这些都将推动材料化学、纳米技术和半导体领域的基本知识进步。

基本上，Panthani说，半导体将发光，“我们想了解它们如何更好地发光。”