دستیابی به روشی نوین برای افزایش هزار برابری سرعت پردازنده‌ها با مواد کوانتومی

ماده‌ای با قابلیت تغییر فاز الکترونیکی

در این پژوهش، محققان از چندین موسسه علمی در ایالات متحده بر روی ماده‌ای کوانتومی لایه‌ای به نام ۱T-TaS₂ تمرکز کردند. این ماده بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی عمل می‌کند و قابلیت تغییر وضعیت بین دو فاز متضاد الکترونیکی، یعنی هادی (رسانا) و نیمه‌هادی (نارسانا) را دارد.

این توانایی در جابه‌جایی بین عبور دادن و مسدود کردن جریان الکتریکی، مشابه عملکرد ترانزیستورها در تراشه‌های رایانه‌ای است و نقش حیاتی در سرعت ابزارهای دیجیتال ایفا می‌کند.

گرگوری فیت، فیزیک‌دان دانشگاه نورث‌ایسترن می‌گوید: «همه ما در نقطه‌ای با تأخیر در بارگذاری اطلاعات مواجه شده‌ایم. هیچ چیز سریع‌تر از نور نیست و ما از نور برای کنترل ویژگی‌های مواد استفاده می‌کنیم؛ آن هم در سریع‌ترین زمانی که از نظر فیزیکی ممکن است.»

فناوری نوین «خاموش‌سازی گرمایی»

برخلاف ابزارهای الکترونیکی کنونی که نیازمند ترکیب و اتصال مواد رسانا و نارسانا هستند، این فناوری جدید امکان استفاده از تنها یک ماده قابل کنترل با نور را فراهم می‌کند که همزمان نقش هادی و عایق را ایفا کند. این رویکرد می‌تواند تحولی بنیادین در طراحی و تولید قطعات الکترونیکی ایجاد کند.

فرآیند کلیدی در این پژوهش «خاموش‌سازی گرمایی» (thermal quenching) نام دارد. اگرچه پیش از این نیز خاصیت رسانایی و نارسانایی متناوب در ماده ۱T-TaS₂ مشاهده شده بود، اما دستاورد اخیر در دستیابی به این انتقال فازی در دماهای قابل استفاده‌تر (نه دماهای بسیار پایین کرایوژنیک) و همچنین در بازه‌های زمانی پایدار چند ماهه است.

رمز موفقیت در این روش، کنترل دقیق زمان‌بندی گرمایش و سرمایش ماده است؛ تغییری که باید به اندازه کافی سریع باشد تا مؤثر واقع شود، اما نه آنقدر سریع که حالات کوانتومی ضروری ماده فرو بپاشند.

فیت در ادامه تأکید می‌کند: «یکی از چالش‌های بزرگ فیزیک این است که چطور می‌توان خواص مواد را مطابق میل خود کنترل کرد؟ ما به دنبال بالاترین سطح کنترل بر خواص مواد هستیم؛ کنترل بسیار سریع با خروجی دقیق، چیزی که بتوان در ابزارهای واقعی به کار برد.»

فراتر از محدودیت‌های سیلیکون

در حالی که قطعات نیمه‌هادی سیلیکونی دهه‌هاست نیازهای فناوری را برآورده کرده‌اند، اما اکنون به مرزهای فیزیکی توان خود رسیده‌اند. این موضوع، تولیدکنندگان را به سمت یافتن راه‌حل‌های جایگزین سوق داده است.

فناوری ارائه شده در این پژوهش، اگرچه هنوز برای استفاده مستقیم در ابزارهای مصرفی آماده نیست، اما چشم‌اندازهای نوینی را برای طراحی نسل جدیدی از قطعات الکترونیکی و ساختارهای متفاوت فراهم می‌کند. این ساختارها پتانسیل ایجاد جهشی چشمگیر در عملکرد، ذخیره‌سازی اطلاعات و سرعت محاسبات را دارند.

به گفته فیت، برای دستیابی به این جهش‌های شگرف در ذخیره‌سازی یا سرعت عملکرد، نیازمند یک پارادایم نوین هستیم. رایانش کوانتومی یکی از مسیرهاست و مسیر دیگر، نوآوری در مواد است و دقیقاً این همان هدفی است که در این پژوهش دنبال شده است.

این تحقیق در نشریه معتبر Nature Physics منتشر شده است.