کشف ماده جدیدی برای تحول رایانه‌های کوانتومی

پژوهشگران دانشگاه ایالتی نورث کارولینا موفق به ابداع ماده مغناطیسی جدیدی برای رایانه‌های کوانتومی اسپینترونیک موسوم به کیو-سیلیکون(Q-silicon) شده‌اند که می‌تواند انقلابی در این حوزه ایجاد کند.

کد خبر: ۶۳۱۸۱۸

تاریخ: ۱۴ تير ۱۴۰۲ - ۰۱:۳۲

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از نیو اطلس، سیلیکون در حوزه الکترونیک برای دهه‌های متمادی سلطنت کرده است و اکنون یک نسخه جدید از آن می‌تواند به گسترش استفاده از آن در آینده کمک کند.

ویفرهای سیلیکونی یک گام کلیدی در تولید نیمه رساناها هستند، اما به زودی ممکن است با ماده جدیدی به نام کیو-سیلیکون برای رایانه‌های کوانتومی و دستگاه‌های اسپینترونیک جایگزین شوند.

مهندسان دانشگاه ایالتی نورث کارولینا(NCSU) شکل کاملاً جدیدی از این ماده به نام کیو-سیلیکون را کشف کرده‌اند که ویژگی‌های جدیدی دارد و می‌تواند کاربردهای مهمی در رایانه‌های کوانتومی و اسپینترونیک داشته باشد.

اسپینترونیک(Spintronics) یا اسپین‌الکترونیک به مطالعه اسپین الکترون و گشتاور مغناطیسی مربوط به آن برای کاربرد در ادوات حالت جامد گفته می‌شود.

اسپینترونیک علم استفاده از چرخش یا اسپین الکترون‌ها در الکترونیک است. اسپینترونیک به طور اساسی با الکترونیک معمولی متفاوت است. در آن علاوه بر بار الکترون، اسپین نیز به عنوان یک درجه آزادی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این امر به معنای امکان ذخیره یا انتقال حجم داده بیشتر است.

الکترون در اتم، علاوه بر اینکه تحت تأثیر نیروی جاذبه هسته به دور آن می‌چرخد، دارای یک حرکت چرخشی به دور خود نیز است. این نوع چرخش را اصطلاحا اسپین الکترون می‌گویند.

در اسپینترونیک، حالت بالا و پایین اسپینی به جای صفر و یک یا مثبت و منفی استفاده می‌شود و در آینده تحولی در دستگاه‌های ریزالکترونیکی به وجود خواهد آورد. این ویژگی برای ساخت دستگاه‌های باینری بسیار کوچک یعنی در مقیاس اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرد که انرژی کمتری لازم خواهند داشت.

رایانه‌های کوانتومی اسپینترونیک انقلابی‌ترین مفهوم در میان تمام دستگاه‌های اسپینترونیک هستند.

اکنون پژوهشگران دانشگاه نورث کارولینا کشف خود را با شلیک پالس‌های لیزری به سیلیکون غیر منظم به مدت تنها چند نانوثانیه انجام داد که آن را قبل از اینکه به سرعت سرد شود و دوباره سخت شود، ذوب کرد. این کار، یک شکل جدید از سیلیکون ایجاد کرد که پژوهشگران آن را Q-silicon نامیدند. آنها قبلا نیز در مورد کربن چنین کاری کرده بودند که آن را Q-carbon نامیدند.

کیو-سیلیکون دارای چند ویژگی جدید است که سیلیکون قدیمی معمولی فاقد آنهاست. مهمترین آنها فرومغناطیس بودن آن در دمای اتاق است.

فِرومغناطیس(Ferromagnetism) به پدیده ایجاد گشتاور مغناطیسی موازی در اثر برهم‌کنش تبادلی در دماهای پایین‌تر از نقطه بحرانی(دمای کوری Tc) گفته می‌شود.

موادی که این خاصیت را داشته باشند، فرومغناطیس یا فرومگنت نامیده می‌شوند. این مواد می‌توانند در نبودِ میدان خارجی، مغناطش خودبخودی(Ms) غیر صفر داشته باشند. این مقدار در دمای صفر مطلق به بیشترین میزان خود رسیده و در دمای کوری به صفر می‌رسد.

این نوع مغناطیس برای برخی از روش‌های ذخیره‌سازی داده‌ها حیاتی است و می‌تواند به باز کردن یک میدان نوظهور به نام اسپین‌ترونیک کمک کند که همانطور که از نامش پیداست، داده‌ها را به جای بار آنها در اسپین الکترون‌ها منتقل و ذخیره می‌کند و پتانسیل این را دارد که دستگاه‌ها را کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر کند.

این ویژگی همچنین می‌تواند آن را به یک ماده عالی برای رایانه‌های کوانتومی تبدیل کند که می‌توانند اطلاعات را نه تنها در صفر و یک، بلکه در برهم‌نهی هر دو به طور همزمان ذخیره کنند.

این ویژگی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا محاسبات را بسیار پیشرفته‌تر از هر رایانه سنتی انجام دهند.

اگرچه ویژگی جدید کیو-سیلیکون فقط فرومغناطیس بودن آن نیست. کیو-سیلیکون همچنین سختی و ابررسانایی بیشتری را در مقایسه با مواد معمولی نشان داده است که هر دو، ویژگی‌هایی هستند که می‌توانند در اسپینترونیک و محاسبات کوانتومی کمک کننده باشند.

جی نارایان، نویسنده مسئول این مطالعه گفت: کشف کیو-سیلیکون می‌تواند با افزودن قابلیت‌های جدید مانند اسپینترونیک یا محاسبات کوانتومی مبتنی بر اسپین، ریزالکترونیک مدرن را متحول کند.

وی افزود: به طور خلاصه، کیو-سیلیکون یک سکوی ایده آل برای ادغام اسپینترونیک با ریزالکترونیک بر روی یک تراشه فراهم می‌کند.

این پژوهش در مجله Material Research Letters منتشر شده است.