ترانزیستور توپولوژیکی با قابلیت‌های منحصربفردش، دنیای الکترونیک را شگفت‌انگیز خواهد کرد

مواد توپولوژیکی مانند عایق‌های توپولوژیکی، ویژگی‌های جالب و جدیدی دارند که توجه دانشمندان را به خود معطوف کرده است. دانشمندان معتقدند این مواد باعث پیشرفت‌های مهمی در زمینه‌ی محاسبات و کامپیوترهای کوانتومی خواهند شد و به همین دلیل بسیاری از محققان بر روی مواد توپولوژیکی کار می‌کنند. اولین قدم در راستای تولد کامپیوترهای کوانتومی، توسعه‌ی نسل جدید ترانزیستورها می‌باشد. ترانزیستور توپولوژیکی یکی از گزینه‌های پیش‌ روی دانشمندان است که با کار جدید دانشمندان این زمینه، یک قدم به تحقق ترانزیستور توپولوژیکی نزدیک‌تر شده‌ایم. با دیپ لوک همراه باشید…

میلیاردها ترانزیستور در گوشی‌­های هوشمند، جریان الکترون‌­ها را با قطع و وصل کردن (کلیدزنی یا on-and-off switching)، کنترل و توان مورد نیاز برای پردازش را تامین می­‌کنند، اما روند مستمر قرار دادن ترانزیستورهای بیشتر در دستگاه‌های کوچک­تر، محدودیت‌های فیزیکی مواد معمولی را پررنگ‌تر می‌کند. مشکلات و ناکارآمدی‌های معمول در مواد ترانزیستورها، باعث از دست رفتن انرژی و در نتیجه ایجاد حرارت و کمتر شدن عمر باتری‌­ها می‌­شود. بدین ترتیب، محققان به شدت در پی یافتن مواد جایگزین هستند تا ترانزیستورها با توان کمتر و بازده بیشتر عمل کنند.

اکنون، آزمایشی در آزمایشگاه دانشگاه برکلی انجام شده که برای اولین بار، کلیدزنی الکترون را در یک ماده‌ی عجیب و بسیار نازک که می‌تواند یک بار را با اتلاف تقریبا صفر در دمای اتاق حمل کند، نشان می­‌دهد. محققان این کلیدزنی را با قرار دادن ماده تحت یک میدان الکتریکی با جریان کم نشان داده‌­اند. محققان ماده‌ موردنظر را از ابتدا رشد داده و سپس آن را با استفاده از اشعه‌ی ایکس مطالعه کردند. ماده‌­ی سدیم بیسموتاید (Na_۳Bi)، یکی از دو ماده‌­ای است که به عنوان نیمه‌ فلز دیراک توپولوژیکی (topological Dirac semimetal) شناخته می‌شوند؛ به این معنی که ویژگی­‌های الکترونیکی منحصر بفردی دارد که می‌­تواند به منظور عملکردهای متفاوت تنظیم شود؛ همچنین در برخی موارد بیشتر به مواد معمول شباهت دارد و در موارد دیگر شبیه به یک ماده‌­ی توپولوژیکی عمل می­‌کند. ویژگی‌­های توپولوژیکی این ماده، برای اولین بار در یک آزمایش دیگر تایید شده بود.

مواد توپولوژیکی به دلیل ظرفیتشان برای کاهش توان تلفاتی و مصرفی دستگاه‌ها، گزینه‌­های امیدوارکننده­‌ای برای نسل بعدی ترانزیستورها و سایر کاربردهای الکترونیکی و محاسباتی در نظر گرفته می‌­شوند. این ویژگی‌­ها می­‌تواند در دمای اتاق وجود داشته باشد که این نکته، تفاوت مهم آن­ها با ابررسانا می‌­باشد که به سرمایش بسیاری نیاز دارند. همچنین، ویژگی‌های این مواد، می­‌توانند با وجود نقص‌هایی در ساختار ماده و حتی تحت فشار نیز همچنان برقرار باشند. مواد دارای ویژگی­‌های توپولوژیکی، در مرکز توجه تحقیقات جامعه‌­ی علمی قرار دارند و نظریه­‌های مربوط به ویژگی­های توپولوژیکی در مواد، جایزه‌­ی نوبل فیزیک سال ۲۰۱۶ را کسب کرد. محققان می‌گویند:

سهولت کلیدزنی ماده­‌ی مطالعه شده از حالت رسانایی الکتریکی به حالت عایق یا نارسانایی الکتریکی، به خوبی از کاربردهای آن برای ترانزیستور نسل آینده یا همان ترانزیستور توپولوژیکی خبر می‌­دهد

از طرفی محققان راهی پیدا کرده‌اند تا ماده را با ضخامت خیلی کم، به اندازه‌ی یک لایه از اتم­‌های سدیم بیسموتاید که بصورت الگوی لانه زنبوری منظم شده­‌اند، رشد دهند و همچنین ضخامت هر لایه را کنترل کنند. آنها می‌گویند:

اگر خواستید دستگاهی بسازید، مایل خواهید بود که نازک باشد. این مطالعه ثابت می‌­کند که کاهش ضخامت برای سدیم بیسموتاید امکان‌­پذیر است و ویژگی­های الکتریکی آن می­‌تواند به آسانی با ولتاژ کم کنترل شود. ما یک قدم به ترانزیستور توپولوژیکی نزدیک‌تر شده­‌ایم. این کشف قدمی رو به سوی ترانزیستور توپولوژیکی است که می‌تواند دنیای محاسبات را تغییر دهد. صنعت الکترونیک توپولوژیکی با مصرف انرژی کم، پاسخ بالقوه‌ای برای چالش فزاینده­‌ی توان اتلافی در محاسبات مدرن می‌باشد. در حال حاضر فناوری اطلاعات وارتباطات، ۸ درصد الکتریسیته جهانی را مصرف می­‌کند و این میزان هر دهه، دو برابر می‌­شود.

محققان روی ویفر سیلیکون و تحت خلا، با استفاده از فرایندی به نام برآرایی پرتوی مولکولی (molecular beam epitaxy)، نمونه­‌های ماده را رشد داده و چندین میلی­متر را در یک سمت اندازه­‌گیری کردند. این دستورالعمل به محققان امکان می­‌دهد تا نمونه‌ها را رشد داده و سپس آزمایش‌ها را تحت شرایط یکسان خلا برای اجتناب از آلودگی، انجام دهند. این دستورالعمل برای یک تکنیک اشعه­‌ی ایکس اختصاص یافته که اطلاعاتی راجع به چگونگی حرکت الکترو‌‌‌‌ن‌­ها در مواد می‌­دهد. در مواد توپولوژیکی متداول، الکترون‌ها حول لبه­‌های ماده جریان می‌یابند در حالیکه در سایر قسمت‌ها، ماده مانند یک عایق عمل کرده و مانع از جریان یافتن الکترون می‌شود. برخی آزمایش‌های اشعه‌ی ایکس روی نمونه‌های مشابه انجام شده تا نشان دهند لایه‌ی نازک سدیم بیسموتاید که بر روی ویفر سیلیکون رشد داده می‌شود، مستقل باقی می‌ماند و با آن واکنش شیمیایی انجام نمی‌دهد. دانشمندان می‌گویند:

الکترون‌ها در مسیرهای لبه‌ای، تنها می‌توانند در یک جهت حرکت کنند و این بدان معنی است که آن‌ها می‌توانند بدون پراکندگی به عقب (Back-scattering)، به عنوان عامل وجود مقاومت در رساناهای معمول، حرکت کنند.

در این مورد، دانشمندان دریافتند ماده‌ی فوق‌العاده نازک، زمانی که در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، به رسانای کامل تبدیل می‌شود؛ همچنین، در معرض یک میدان الکتریکی با شدت کمی بیشتر، می‌تواند به یک ماده کاملا عایق، در سرتاسر ماده تبدیل شود. آنها می‌گویند:

کلیدزنی که بصورت الکتریکی انجام می‌شود، گام مهمی در راستای تحقق کاربرد این قبیل مواد است. برخی محققان دیگر، از روش‌های دیگری مانند آلایش شیمیایی یا کشش مکانیکی برای انجام و کنترل کلید‌زنی استفاده کرده‌اند. ما به دنبال نمونه‌های دیگری هستیم که می‌توانند قطع و وصل (کلیدزنی) شوند تا به طریقی مشابه توسعه‌ی نسل جدید الکترونیک‌ فوق‌العاده کم‌توان را هدایت کنند.