أخبار التكنولوجيا

اكتشف الباحثون أن المادة الفائقة الذرية هي أشباه الموصلات الأسرع والأكثر كفاءة



أشباه الموصلات، التي تقع بين الموصلات مثل المعادن والعوازل مثل الزجاج، هي أساس جميع الإلكترونيات المعاصرة لدينا. تتكون أشباه الموصلات هذه بشكل أساسي من السيليكون، وتتكون من وحدات الذاكرة والمعالجات الدقيقة والرقائق الأخرى المضمنة في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا. ومع ذلك، فهي ليست خالية من العيوب ولها قيود متأصلة.

يحدث فقدان الحرارة في جميع أشباه الموصلات بسبب مطبات السرعة الكمومية المتأصلة فيها. عندما يهتز التركيب الذري لأي مادة، فإنه يخلق الفونونات، وهي جسيمات الكم. في التفاعل، تتسبب الفونونات في تشتت الجسيمات الحاملة للطاقة والبيانات، والمعروفة باسم الإكسيتونات أو أزواج ثقب الإلكترون، في غضون نانوثانية أو فيمتوثانية. معدلات نقل البيانات محدودة، وفوق حدود معينة، يتم فقدان الحرارة.

اكتشف العلماء مؤخرًا في جامعة كولومبيا في نيويورك أشباه موصلات فوق ذرية جديدة وأكثر كفاءة. وكان هذا أشباه الموصلات هو الأسرع في العالم، وفقا للتجارب، حيث يمكنه نقل أشباه الجسيمات بسرعة ضعف سرعة الإلكترونات التي تتحرك عبر السيليكون.

أشباه الموصلات فوق الذرية

أشباه الموصلات الأكثر كفاءة والأسرع حتى الآن، وهي مادة فوق ذرية تعرف باسم Re6حد ذاته8Cl2، تم وصفه في مقال نشر في مجلة Science من قبل مجموعة من الكيميائيين بجامعة كولومبيا برئاسة دكتوراه. الطالب جاك تولياج وأستاذ الكيمياء ميلان ديلور. باعتبارها مادة فوق ذرية، تتجمع ذرات الرينيوم (Re)، والسيلينيوم (Se)، والكلور (Cl) معًا بينما تتصرف بطرق معينة مشابهة للعناصر الأصلية.

ديلور مفتون بالتلاعب والتحكم في نقل الطاقة عبر الذرات الفائقة وغيرها من المواد الجديدة التي تم تطويرها في كولومبيا. يحقق الفريق ذلك من خلال تطوير أدوات تصوير فائقة الدقة قادرة على التقاط الجسيمات المتحركة بسرعات صغيرة وسريعة للغاية.

تظهر الإكسيتونات الموجودة في هذه المادة حركة أبطأ مقارنة بالإلكترونات الموجودة في السيليكون. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن الإكسيتونات تنتقل في مسارات مستقيمة تمامًا، مما يسمح لها بتغطية مسافات أكبر بمعدل أسرع. على عكس أشباه الموصلات التقليدية، في إعادة6حد ذاته8Cl2 باعتبارها أشباه موصلات فوق ذرية، لا تتسبب الفونونات في تشتت الجسيمات الحاملة للطاقة، وبالتالي تجنب تباطؤ نقل المعلومات.

يحدث هذا لأنه في إعادة6حد ذاته8Cl2، ترتبط جزيئات الطاقة والفونونات ببعضها البعض. مزيج هذه العناصر يخلق أشباه جسيمات مميزة تسمى بولارونات الإكسيتون الصوتية. تمتلك هذه الجسيمات خصائص استثنائية، حيث يمكنها التحرك دون أن تتشتت، مما قد يؤدي إلى تطوير تقنيات أسرع وأكثر كفاءة.

اجتازت أشباه الجسيمات مسافات هائلة بينما كانت تتحرك بسرعات تبلغ ضعف سرعة الإلكترونات الموجودة في السيليكون عندما انطلقت عبر Re6حد ذاته8Cl2. سمح هذا النظام بالتحكم في أشباه الجسيمات عن طريق الضوء بدلاً من الكهرباء، مما سمح نظريًا للأجهزة بالدوران على مقياس الفيمتو ثانية، وهو أسرع بستة أوامر من حجم النانو ثانية الممكنة بواسطة وحدات المعالجة المركزية المعاصرة بالجيجاهيرتز. يمكنك أيضًا القيام بكل هذا بينما تكون درجة الحرارة هي درجة حرارة الغرفة فقط.

“فيما يتعلق بنقل الطاقة، رد6حد ذاته8Cl2وقال ديلور: “يبرز كأفضل أشباه الموصلات التي حددناها”.

بولارون في إعادة6حد ذاته8Cl2 يمكن أن تفعل شيئًا لا تستطيع أي مادة أخرى القيام به: يمكن أن تتدفق بطريقة باليستية أو خالية من التشتت. وفي يوم من الأيام، قد تصبح الأجهزة المبنية بهذا النوع من السلوك الباليستي أسرع وأكثر كفاءة.

وأظهرت تحقيقات الفريق أن الإكسيتونات القطبية الصوتية في Re6حد ذاته8Cl2 تنتقل عبر عدة ميكرونات من المادة في أقل من مللي ثانية، وهو ضعف سرعة إلكترونات السيليكون. ويعتقد الفريق أن بولارونات الإكسيتون قد تعبر أكثر من 25 ميكرومترًا في وقت واحد، مع الأخذ في الاعتبار أن مدة بولارونات الإكسيتون تبلغ حوالي 11 نانو ثانية.

يمكن أن تقترب معدلات المعالجة في الأجهزة النظرية من الفيمتو ثانية (ستة أوامر من الحجم أسرع من النانو ثانية التي تم تحقيقها في إلكترونيات جيجاهيرتز المعاصرة) لأن أشباه الجسيمات هذه يتم التحكم فيها عن طريق الضوء بدلاً من التيار الكهربائي والبوابات.

‘السلحفاة والأرنب’

لتوضيح هذه الظاهرة، يستخدم ديلور حكاية إيسوب عن السلحفاة والأرنب كقياس (الشكل 1). الإلكترونات سريعة الحركة هي التي تجعل السيليكون جذابًا للغاية. ومع ذلك، فإنها تتفرق في كل الاتجاهات، تمامًا مثل الأرنب المستعجل، الذي لا يتمكن من تغطية مساحة كبيرة من الأرض. الإكسيتونات في Re6حد ذاته8Cl2 تتناقض بشكل صارخ مع هذا. إنها تمتزج مع الفونونات التي تتحرك بسرعة مماثلة للحلزون، لكنها لا تزال بطيئة. تتحرك أشباه الجسيمات الناتجة ببطء ولكن بثبات. عند مقارنتها بإلكترونات السيليكون، تسمح الذرة الفائقة في النهاية بالتنقل بشكل أسرع.

تشبه بولارونات الإكسيتون الصوتية السلحفاة البطيئة الحركة في حكاية إيسوب بالمقارنة مع الأرنب السريع ولكن البطيء، والذي يرمز إلى الإلكترون.
الشكل 1: تشبه بولارونات الإكسيتون الصوتية السلحفاة البطيئة الحركة في حكاية إيسوب بالمقارنة مع الأرنب السريع ولكن البطيء، والذي يرمز إلى الإلكترون. (المصدر: جاك تولياج، جامعة كولومبيا)

إن السرعة الرائعة التي قد تعبر بها الإلكترونات السيليكون تجعله شبه موصل جذاب؛ ومع ذلك، مثل الأرنب، فإنها تفشل في النهاية في تغطية مسافة كبيرة في فترة زمنية قصيرة بسبب ارتدادها المفرط. الإكسيتونات البطيئة نسبيًا في Re6حد ذاته8Cl2 يمكن أن تلتقي وتقترن بالفونونات الصوتية التي تتحرك بنفس البطء النسبي بسبب سرعتها البطيئة للغاية. وعلى غرار السلحفاة، فإن أشباه الجسيمات الناتجة تكون “ثقيلة” وتتحرك بوتيرة بطيئة ولكن ثابتة. لأنها غير محدودة بالفونونات الأخرى، بولارونات الإكسيتون الصوتية في Re6حد ذاته8Cl2 يمكن أن تتفوق على الإلكترونات في السيليكون.

التحديات والتطبيقات المستقبلية

يكرر6حد ذاته8Cl2 يتكون من ذرات الرينيوم والسيلينيوم والكلور. ومع ذلك، يعد الرينيوم أحد أندر العناصر على وجه الأرض، مما يساهم في ارتفاع تكلفته. ومن غير المحتمل تمامًا أن يتم دمج هذا النوع من الذرة الفائقة في الأجهزة الإلكترونية الشائعة.

ومع ذلك، فقد قدم هذا الكشف العديد من الفرص. يقترح ديلور وجود مجموعة كاملة من المواد الفائقة الذرة وغيرها من المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد التي تمتلك ميزات تساعد على إنشاء بولارونات صوتية. الفريق متحمس لاكتشاف المزيد من المواد الفائقة الذرية باستخدام نظريات وتقنيات تصوير جديدة، والتي قد تتفوق على Re6حد ذاته8Cl2 في الأداء وربما تستخدم مكونات كيميائية يسهل الوصول إليها.

يكرر6حد ذاته8Cl2مثل العديد من المواد الكمومية الجديدة التي تمت دراستها في جامعة كولومبيا، يمكن فصلها بسهولة إلى صفائح رقيقة من الذرة. تفتح هذه الخاصية الباب أمام إمكانية دمجها مع المواد ذات الصلة لاكتشاف مجموعات أكثر إثارة للاهتمام لتجربتها.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

إلكترونيات الطاقة_يونيو_2024

The post الباحثون يكتشفون أن المواد الفائقة الذرية هي الأسرع والأكثر كفاءة لأشباه الموصلات ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *