پیشرفت شگرف در الکترونیک؛ دستگاه‌های آینده می‌توانند بدون داغ‌شدن کار کنند

زومیت/ پیشرفت در ساخت سوییچ اپتواکسیتونی می‌تواند آغازگر نسل تازه‌ای از رایانه‌های کلاسیک و کوانتومی باشد که بدون نیاز به سرمایش در دمای اتاق کار می‌کنند

پژوهشگران دانشگاه میشیگان فناوری پیشرفته‌ای را توسعه داده‌اند که یکی از محدودیت‌های بنیادی دنیای الکترونیک را برطرف می‌کند. فناوری جدید که «سوئیچ اپتواکسیتونی» نامیده می‌شود، می‌تواند به ابداع نسل تازه‌ای از تجهیزات الکترونیکی منجر شود که بدون تولید گرمای زائد فعالیت می‌کنند.

---

بازار

---

سوییچ جدید همانند سوییچ‌های معمولی الکترونیکی عمل می‌کند. در سوییچ‌های معمولی، بار الکتریکی مشخص می‌کند که الکترون‌ها از کجا عبور کنند یا نکنند. به عبارت دیگر، سوییچ‌ها مسیر جریان انرژی یا سیگنال‌ها را در دستگاه‌ها کنترل می‌کنند.

سوییچ اپتواکسیتونی، نسل تازه‌ای از فناوری است که بدون تولید گرما کار می‌کند.

وقتی الکترون‌ها حرکت می‌کنند، گرما تولید می‌کنند. به همین دلیل است که وقتی روی لپ‌تاپ بازی سنگین اجرا می‌کنید، لپ‌تاپ داغ می‌شود. مراکز داده بزرگ هم دمای بالایی دارند؛ زیرا حجم زیادی از الکترون‌ها جریان پیدا می‌کنند.

سوییچ‌های اکسیتونی به جای الکترون‌های باردار، از ذرات خنثی به نام اکسیتون استفاده می‌کنند. اکسیتون وقتی ایجاد می‌شود که یک الکترون از جای خودش در اتم کمی جابجا شود (برانگیخته شود)، بدون اینکه بار الکتریکی اضافه‌ای ایجاد کند.

وقتی الکترون از جای خود در اتم برانگیخته می‌شود، یک «جای خالی» باقی می‌ماند. این جای خالی و الکترون آزاد کنار هم ذره‌ای به نام اکسیتون می‌سازند که خنثی است. از آنجایی که اکسیتون خنثی است، وقتی اطلاعات را منتقل می‌کند، گرما تولید نمی‌شود.

قدرت نور

دانشمندان در پژوهش پیشگامانه خود برای اولین بار از اکسیتون‌ها برای ساخت سوییچی استفاده کرده‌اند که فراتر از سوییچ‌های فوتونیکی مرسوم عمل می‌کند و به بالاترین سطح عملکرد فعلی دست یافته است.

پاراگ دیوتور، نویسندهٔ همکار مطالعه و استاد مهندسی برق، مهندسی رایانه و فیزیک کاربردی در دانشگاه میشیگان، در گفتگو با لایوساینس توضیح داد دستگاه‌های الکترونیکی وقتی انرژی را ذخیره یا آزاد می‌کنند، گرما تولید می‌کنند و به همین دلیل داغ می‌شوند. اما اکسیتون ذره‌ای خنثی است، شبیه به نور (فوتون)، که هنگام انتقال انرژی گرما تولید نمی‌کند.

اکسیتون‌ها ذرات خنثی هستند که هنگام انتقال انرژی گرما ایجاد نمی‌کنند.

دستگاه جدید با استفاده از اکسیتون‌ها دیگر گرما تولید نمی‌کند و سوییچ‌های کوچکی دارد که اطلاعات را منتقل می‌کنند و اندازه آن‌ها ۱۰۰ بار کوچک‌تر از سوییچ‌های معمولی است. به گفته پژوهشگران، هدف بلندمدت از توسعه این سوییچ‌های جدید، ساخت مدارهای اکسیتونی با چنان سطحی از کارآمدی است که سیستم‌های کامپیوتری دیگر نیازمند فن نباشند و گوشی‌ها بتوانند مدت زمان بسیار طولانی‌تری شارژ باتری خود را حفظ کنند.

آزمایش ضخامت جادویی

با اینکه نظریه سوییچ‌های اکسیتونی درست است، مهندسی و آزمایش این فناوری جدید بزرگ‌ترین چالش تیم بوده است. در دستگاه‌های معمولی، الکترون‌ها با بار الکتریکی به مسیر خود هدایت می‌شوند، اما از آنجایی که اکسیتون‌ها خنثی هستند، نمی‌توان از همین روش برای کنترل آن‌ها استفاده کرد.

دانشمندان برای اینکه اکسیتون‌ها را به مسیر درست هدایت کنند، از ذرات خنثی نور (فوتون‌ها) استفاده کردند و آن‌ها را به صورت ردیف روی مسیری باریک (مثل یک شیار) مرتب کردند.

دانشمندان ابتدا اکسیتون‌ها را ساختند و سپس با استفاده از تعداد مشخصی فوتون آن‌ها را در نوک شیار جمع کردند. نتیجه این شد که گروهی از اکسیتون‌ها کنار هم جمع شدند و در انتهای یک مسیر مستقیم ثابت قرار گرفتند. سپس تیم پژوهشی فوتون‌های بیشتری اعمال کرد تا اکسیتون‌ها شروع به حرکت کنند. اگر فوتون‌های زیادی اضافه می‌شد، اکسیتون‌ها مسیر شیار را دنبال نمی‌کردند و اگر فوتون‌های کمی اضافه می‌شد، اکسیتون‌ها همچنان بی‌حرکت می‌ماندند.

مک‌یلو کیرا، استاد مهندسی برق و رایانه و نویسنده همکار مطالعه، می‌گوید آن‌ها پیش‌بینی کرده بودند که اگر ماده به اندازه‌ی کافی ضخیم باشد، نور نمی‌تواند اکسیتون‌ها را به حرکت وادارد و اثر فشار ناپدید می‌شود. آن‌ها توانستند این حالت را در آزمایش نشان دهند و به همین دلیل به آن «ضخامت جادویی» می‌گویند.

وقتی ماده به ضخامت جادویی رسید، نور (فوتون‌ها) توانست اکسیتون‌ها را به حرکت وادارد. مشاهده این حرکت نشان داد که نظریه صحیح و آزمایش موفقیت‌آمیز بوده است. (رنگ اکسیتون‌ها هنگام حرکت روی شیار تغییر می‌کند و مشاهده‌پذیر است).

نتایج نشان می‌دهد که سوییچ جدید به اندازه یا حتی بهتر از بهترین فناوری‌های موجود عمل می‌کند. هدف نهایی این است که این سوییچ‌ها تبدیل به مدارهایی شوند که جایگزین کامپیوترها و دستگاه‌های الکترونیکی فعلی شوند. برای رسیدن به این هدف، هنوز باید مراحلی مثل پیداکردن مواد جدید و آموختن روش‌هایی برای ساخت و بزرگ کردن نمونه‌های آزمایشی طی شود. با‌این‌حال، تیم پژوهشی معتقد است که می‌توان این مشکلات را در عرض چند دهه حل کرد.

دانشمندان امیدوارند سوییچ‌ها و مدارهای اپتواکسیتونی بتوانند گرمای زائد، یعنی بزرگ‌ترین مشکل در رایانش را حل کنند و در نتیجه اندازه دستگاه‌ها بسیار کوچک شود و عملکردشان به‌طور چشمگیری افزایش یابد.

پژوهش در ژورنال ACS Nano منتشر شده است.

🔹"آخرین خبر" در روبیکا
🔹"آخرین خبر" در ایتا
🔹"آخرین خبر" در بله