تحول در الکترونیک با مواد کوانتومی مدرن

انقلاب در دنیای الکترونیک با مواد کوانتومی

پیشرفت‌های اخیر در پژوهش‌های مرتبط با مواد کوانتومی می‌تواند به زودی چشم‌انداز صنعت الکترونیک مصرفی را دگرگون کند. پژوهشگران برجسته از مراکز تحقیقاتی آمریکا روشی نوآورانه برای کنترل وضعیت‌های الکترونیکی ماده‌ای به نام 1T-TaS₂ (دی‌سولفید تانتالوم) را معرفی کرده‌اند. این دستاورد می‌تواند سرعت تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و دیگر دستگاه‌های دیجیتال را تا هزار برابر نسبت به فناوری‌های فعلی افزایش دهد.

مواد کوانتومی دسته‌ای از مواد پیشرفته هستند که ویژگی‌های آن‌ها نه بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک، بلکه با مکانیک کوانتومی تعیین می‌شود. رفتار گوناگون این مواد — مانند تغییر بین حالت هادی (فلزی) و عایق بودن — فرصت‌های نوینی را برای طراحی قطعات الکترونیکی فوق سریع و کم‌مصرف فراهم می‌کند.

اساس علمی این کشف

در هسته این پیشرفت، فرآیندی به نام «خاموش‌سازی حرارتی» قرار دارد که با تغییر سریع دمای 1T-TaS₂ انجام می‌شود. این کریستال لایه‌ای می‌تواند با این فرآیند، سریعاً بین دو حالت مخالف الکترونیکی (هادی و عایق) سوئیچ کند. این سوئیچینگ دوتایی اساس کار ترانزیستورهای موجود در تراشه‌های کامپیوتری است و نحوه کنترل جریان الکتریسیته برای پردازش داده و ذخیره اطلاعات را تعیین می‌کند.

در گذشته، تغییر حالت در مواد کوانتومی نیازمند دماهای بسیار پایین (برودتی) بود و استفاده عملی از آن را دشوار می‌ساخت. اما تجربیات اخیر نشان داده‌اند که این سوئیچینگ را می‌توان در دماهای قابل دستیابی‌تر انجام داد و مهم‌تر اینکه، حالت‌های جدید ماده برای ماه‌ها پایدار می‌ماندند، نه چند ثانیه کوتاه.

طبق گفته فیزیکدان دانشگاه نورث‌ایسترن، گریگوری فیت، «ما سریع‌ترین پدیده ممکن در طبیعت — یعنی نور — را برای کنترل ویژگی‌های مواد با سرعتی نزدیک به حد فیزیکی به کار گرفته‌ایم.» پژوهشگران با کنترل دقیق زمان‌بندی تغییرات دما توانستند پایداری و سرعت بی‌سابقه‌ای را در این فرآیند ثبت کنند، بدون آنکه ویژگی‌های کوانتومی خاص ماده از بین برود.

پیامدها برای نسل آینده الکترونیک

تمام دستگاه‌های دیجیتال به ترکیبی از مواد هادی و عایق نیاز دارند که اغلب به ساختارهای پیچیده‌ای منجر می‌شود. استفاده از یک ماده کوانتومی پیشرفته که همزمان و با نور بتواند هر دو عملکرد را انجام دهد، می‌تواند اندازه قطعات را به شدت کاهش دهد، مصرف انرژی را پایین آورد و مهم‌تر از همه، سرعت پردازش را به سطحی برساند که تا پیش از این امکان‌پذیر نبود.

فیت تأکید می‌کند: «یکی از بزرگترین چالش‌های علم مواد، رسیدن به کنترل دقیق و سریع ویژگی‌های مواد است؛ و این همان چیزی است که این فناوری را برای استفاده در دستگاه‌ها آماده می‌سازد.»

اگرچه فعلاً این کاربردها محدود به فضای آزمایشگاهی است، اما تأثیرات آن بر آینده فناوری مصرفی بسیار عمیق خواهد بود. با نزدیک شدن نیمه‌رساناهای سیلیکونی به محدودیت‌های فیزیکی خود، پژوهشگران و تولیدکنندگان به دنبال جایگزین‌هایی هستند که روند رشد شتابان قدرت محاسباتی، مطابق قانون مور، ادامه پیدا کند.

عبور از مرزهای سیلیکون؛ امید به مواد کوانتومی

تراشه‌های سیلیکونی چند دهه‌ است موتور پیشرفت دیجیتال بوده‌اند؛ اما کوچک‌سازی و افزایش سرعت آن‌ها به محدودیت‌های عملی نزدیک شده است. دستاوردهایی مانند دستکاری موفقیت‌آمیز 1T-TaS₂، می‌تواند افق جدیدی برای صنعت الکترونیک، در کنار پیشرفت‌های رایانش کوانتومی و ذخیره اطلاعات، بگشاید.

فیت خاطرنشان می‌کند: «برای افزایش شگفت‌انگیز در پردازش و ذخیره اطلاعات باید روش‌های سنتی را کنار گذاشت، یا از طریق مفاهیم کاملا نوین مانند رایانه‌های کوانتومی و یا با توسعه مواد کوانتومی جدید. کار ما به طور مشخص در جهت دوم است و نشان می‌دهد چگونه علم مواد می‌تواند فصل جدیدی از الکترونیک فوق سریع و کم‌مصرف رقم بزند.»

هرچند تا کاربرد عملی مواد کوانتومی در دستگاه‌های روزمره راه باقی مانده، این پیشرفت یک گام مهم به سوی موج بعدی نوآوری فناورانه است.

جمع‌بندی

بهره‌گیری از موادی مانند 1T-TaS₂ برای کنترل سریع و نوری فازهای الکترونیکی، دریچه‌ای به روی نسل تازه‌ای از سخت‌افزارهای رایانه‌ای می‌گشاید. با غلبه بر محدودیت‌های سیلیکون و ایجاد پایداری حالت‌های کوانتومی در دماهای کاربردی، دانشمندان مسیر را برای ظهور دستگاه‌هایی بسیار سریع‌تر، هوشمندتر و کارآمدتر هموار می‌کنند. هر چه تحقیقات جلوتر می‌رود، رؤیای گوشی‌ها و ابزارهای دیجیتال هزار برابر سریع‌تر به تحقق نزدیک‌تر می‌شود.