مواد کوانتومی در سالهای اخیر بهعنوان عرصهای نوین در فیزیک حالت جامد مورد توجه ویژه پژوهشگران قرار گرفتهاند. این مواد دارای ویژگیها و رفتارهایی هستند که عمدتاً توسط قوانین مکانیک کوانتومی تعیین میشود؛ قوانینی که در دنیای ماکروسکوپی چندان آشنا نیستند. توسعه فهم و کنترل این ویژگیها میتواند انقلابی عظیم در فناوری رایانهها، تلفنهای هوشمند و تمامی ابزارهای دیجیتال ایجاد کند.
جزییات پژوهش: کنترل الکترونیکی سریع با 1T-TaS₂
بر اساس گزارشی که در سایت نیچر منتشر شده، تیمی متشکل از محققان دانشگاههای ایالات متحده آمریکا موفق شدهاند با بهرهگیری از تغییرات دمایی، حالات الکترونیکی ماده لایهای 1T-TaS₂ را بهطور آنی میان دو فاز متضاد عایق و رسانا جابجا کنند. این توانایی برای مسدودکردن یا عبورجریان الکتریکی، اساس عملکرد ترانزیستورها را تشکیل میدهد و نقشی کلیدی در پردازندههای رایانهای و چیپهای مدرن دارد.
کاربرد «خاموشسازی حرارتی» در بهبود عملکرد
فرآیندی که این تیم پژوهشی از آن استفاده میکند، به نام «خاموشسازی حرارتی» (Thermal Quenching) شناخته میشود. در این روش، افزایش و کاهش بسیار سریع دما سبب میشود تا حالت کوانتومی ماده بدون تخریب، بین فازهای رسانایی و عایق بودن تغییر کند. دستیابی به این جابجایی در دماهای عملیاتی (نه فقط دماهای فوقسرد آزمایشگاهی) و برای مدتهای طولانی (ماهها به جای چند ثانیه) از جمله دستاوردهای مهم این مطالعه است.پروفسور گرگوری فایت، فیزیکدان دانشگاه نورثایسترن، میگوید: «هر کاربر رایانهای لحظهای را تجربه کرده که آرزو داشته عملکرد دستگاهش سریعتر باشد. هیچ چیزی سریعتر از نور نیست و ما با استفاده از نور، خواص ماده را با حداکثر سرعت مجاز در فیزیک کنترل میکنیم.»
پتانسیل تحول فناوری دستگاهها: کوچکتر، سریعتر و با قابلیت کنترل نوری
یک چالش اصلی در دنیای الکترونیک، نیاز به مواد رسانا و عایق مجزاست که باید بهدقت به یکدیگر متصل شوند. اگر کنترل دقیق حالتهای کوانتومی با نور در مواد جدید به واقعیت بدل شود، میتوان مادهای داشت که همزمان نقش عایق و رسانا را ایفا کرده و تنها با یک پالس نوری رفتار آن تغییر یابد. چنین پیشرفتی میتواند جهشی عظیم در سرعت پردازش دادهها و بهینهسازی مصرف انرژی در دستگاهها بهارمغان آورد.گر چه تبدیل این فناوری از آزمایشگاه به دستان مصرفکنندگان نیازمند زمان و پژوهش بیشتر است، اما مسیرهای تازهای را به سوی طراحی اجزای الکترونیکی کاملاً متفاوت نشان میدهد. فایت تأکید میکند: «یکی از چالشهای بزرگ این است که چگونه خواص مواد را طبق خواست خود کنترل کنیم؟ هدف ما کسب سریعترین و دقیقترین کنترل است که بتوانیم مستقیماً در ابزارهای نوین بهره ببریم.»
جایگاه چیپهای سیلیکونی و آینده مواد نوین
چیپهای نیمهرسانای سیلیکونی دههها ستون فقرات صنعت الکترونیک بودهاند. اما با نزدیک شدن به محدودیتهای فیزیکی سیلیکون، لزوم یافتن گزینههای جایگزین به امری حیاتی بدل شده است. استفاده از مواد کوانتومی نه تنها شتاب پردازش و ظرفیت ذخیرهسازی داده را افزایش میدهد، بلکه افقهای تازهای برای کاربردهای رایانش کوانتومی و اینترنت اشیا فراهم میکند.به گفته فایت: «در نقطهای قرار داریم که برای دستیابی به پیشرفتهای شگرف در ذخیرهسازی اطلاعات یا سرعت عملکرد، باید پارادایم جدیدی تعریف کنیم. یکی از مسیرها رایانش کوانتومی است و مسیر دیگر، نوآوری در مواد. هدف اصلی این پژوهش دقیقاً همین نوآوری در مواد است.»
نتیجهگیری
دستاورد جدید در زمینه کنترل مواد کوانتومی مانند 1T-TaS₂ با استفاده از خاموشسازی حرارتی، دریچهای به روی عصر تازهای از فناوری الکترونیک باز کرده است. این پیشرفت میتواند در آینده نزدیک سرعت پردازش دستگاههای الکترونیکی را تا هزار برابر افزایش دهد و بستری نو برای توسعه سختافزارهای هوشمند و پایدار ایجاد کند. با توجه به چالشهای فنی فراروی و ضرورت تحقیقات بیشتر، میتوان انتظار داشت که این حوزه طی سالهای آینده نقش کلیدی در تحول صنعت الکترونیک و رایانش ایفا کند.