ترانزیستوری که ۵ درصد بودجه انرژی جهان را کم می‌کند!

فرارو- در یک کوشش دسته جمعی، مهندسان دانشگاه‌های مختلف ایالات متحده اختراع کوچک، اما عظیمی را به ثبت رسانده اند که مربوط به یک ترانزیستور مغناطیسی-الکتریکی نوآورانه است که می‌تواند به اشتهای روزافزون جهان برای داشتن حافظه دیجیتال کمک کند و در عین حال ۵ درصد از بودجه انرژی دیجیتال جهان را کاهش دهد.

به گزارش فرارو، فیزیکدانانی از دانشگاه‌های نبراسکا–لینکلن، دانشگاه جاناتان برد و کیک هی در بوفالو، گرد هم امدند تا برای ساخت اولین ترانزیستور مغناطیسی-الکتریک با یکدیگر همکاری کنند. پیتر داوبن، فیزیکدان دانشگاه نبراسکا در این خصوص گفت: علاوه بر محدود کردن مصرف انرژی، این ابتکار می‌تواند تعداد ترانزیستور‌های مورد نیاز برای ذخیره داده‌های خاص را تا ۷۵ درصد کاهش دهد که نتیجه آن تولید دستگاه‌های کوچکتر می‌شود. این ابتکار همچنین می‌تواند به حفظ حافظه‌ها، حتی پس از خاموش شدن یا قطع ناگهانی برق کمک کند.»

میلیون‌ها ترانزیستور روی سطح هر مدار مجتمع یا ریزتراشه مدرنی قرار گرفته‌اند که از ماده نیمه‌رسانای مورد علاقه صنعت، یعنی سیلیکون، ساخته شده است. داوبن می‌گوید، اما ریزتراشه‌های مبتنی بر سیلیکون به محدودیت‌های عملی خود نزدیک شده اند. این محدودیت‌ها باعث می‌شود که صنعت نیمه‌رسانا هر جایگزین امیدوار کننده‌ای را که می‌تواند بررسی و تأمین مالی کند. یکی از محدودیت‌های اصلی این تراشه ها، میزان کوچک کردن آنهاست که حد و مرز دارد و همین امر باعث می‌شود نتوان گرم شدن آن‌ها را تا حد زیادی کنترل کرد. این موضوع دوم نیز به معنای مصرف انرژی بیشتر است که با توجه به گسترش استفاده از تراشه‌ها در تمام وسایل اطراف ما، این میزان قابل توجه خواهد بود.

داوبن گفت: «بنابراین ما به چیزی نیاز داریم که در صورت امکان بتوانیم آن را کوچکتر کنید. اما مهمتر از آن، ما به چیزی نیاز داریم که متفاوت از ترانزیستور سیلیکونی کار کند تا بتوانیم مصرف برق را به شکل قابل توجهی کاهش دهیم.» ترانزیستور‌های مبتنی بر سیلیکون معمولی از چندین ترمینال تشکیل شده اند. دو مورد از آن‌ها که منبع و تخلیه نامیده می‌شوند، به عنوان نقطه شروع و پایان برای الکترون‌هایی هستند که در مدار جریان می‌یابند. بالای آن کانال ترمینال دیگری قرار دارد که دگیت نامیده می‌شود. اعمال ولتاژ بین گیت و منبع می‌تواند تعیین کند که جریان الکتریکی با مقاومت کم یا زیاد جریان داشته باشد، که منجر به تجمع یا عدم وجود بار‌های الکترونی می‌شود که به ترتیب ۱ یا ۰ کد می‌شوند.

بنابراین، تیم به جای وابستگی به بار الکتریکی به عنوان مبنای رویکرد خود، به چرخش روی آورد؛ یک خاصیت مرتبط با مغناطیس از الکترون‌ها که به بالا یا پایین اشاره می‌کند و می‌تواند مانند بار الکتریکی به‌عنوان ۱ یا ۰ خوانده شود. دانشمندان می‌دانستند که الکترون‌هایی که از میان گرافن -یک ماده فوق‌العاده قوی با ضخامت فقط یک اتم- جریان می‌یابند، می‌توانند جهت‌گیری‌های اولیه اسپین خود را برای فواصل نسبتاً طولانی حفظ کنند. این یک ویژگی جذاب برای نشان دادن پتانسیل یک ترانزیستور مبتنی بر اسپین‌ترونیک می‌باشد. در واقع کنترل جهت آن اسپین ها، با استفاده از توان بسیار کمتر از یک ترانزیستور معمولی، چشم انداز بسیار چالش برانگیزی بود.

برای انجام این کار، محققان باید زیر گرافن را با مواد مناسب بپوشانند. خوشبختانه، این گروه سال‌ها را به مطالعه و اصلاح چنین ماده‌ای، یعنی اکسید کروم، اختصاص داده بود. مهمتر از همه، اکسید کروم مغناطیسی-الکتریک است، به این معنی که اسپین‌های اتم‌ها در سطح آن را می‌توان با اعمال مقدار ناچیز ولتاژ موقت و انرژی گیر، از بالا به پایین یا برعکس، چرخاند. هنگام اعمال ولتاژ مثبت، اسپین‌های اکسید کروم زیرین به سمت بالا می‌آیند و در نهایت جهت چرخش جریان الکتریکی گرافن را وادار می‌کند که به چپ منحرف شود و سیگنال قابل تشخیصی در این فرآیند ایجاد شود. ولتاژ منفی در عوض اسپین‌های اکسید کروم را به سمت پایین می‌چرخاند و جهت چرخش جریان گرافن به سمت راست می‌چرخد و سیگنالی واضوح از دیگری ایجاد می‌کند.

داوبن گفت که جایگزین‌های زیادی برای گرافن وجود دارد که ضخامت یک اتمی آن را به اشتراک می‌گذارند، اما همچنین دارای خواصی هستند که برای ترانزیستور‌های مغناطیسی-الکتریک مناسب‌تر است. او گفت که رقابت برای پوشاندن اکسید کروم با سایر کاندید‌های دوبعدی در حال حاضر در جریان است و این به معنای شروع یک راه است. اکنون همه می‌توانند وارد بازی شوند و تلاش کنند که چگونه ترانزیستور خود را واقعاً خوب و رقابتی بسازند. این راهی است که تازه شروع شده، اما می‌تواند در نهایت به یک نتیجه جالب توجه ختم شود.

داوبن می‌افزاید؛ ما می‌دانستیم که مواد مغناطیسی-الکتریکی می‌توانند یک رویکرد کارآمد را اثبات کنند. شناسایی اکسید کروم و اصلاح آن، چه برای کنترل چرخش آن با ولتاژ به جای مغناطیس تخلیه کننده نیرو، و چه برای اطمینان از عملکرد مناسب آن در دما‌های بالا، بسیار امیدبخش بود. اگر می‌خواستیم با صنعت نیمه هادی رقابت کنیم، دستاورد ما نمی‌توانست فقط در نبراسکا در فصل زمستان خوب کار کند، بلکه باید در تابستان در عربستان سعودی نیز کار کند.

منبع: scitechdaily

ترجمه: مصطفی جرفی-فرارو