مطالعه‌ای جدید که در نشریه معتبر Nature Physics منتشر شده، از کشف ماده‌ای کوانتومی خبر می‌دهد که می‌تواند با کنترل دما، همزمان هم عایق باشد و هم رسانا. این ماده با نام ۱T-TaS₂، پتانسیل جایگزینی قطعات سیلیکونی رایج در دستگاه‌های الکترونیکی را دارد و می‌تواند سرعت پردازش داده‌ها را تا هزار برابر افزایش دهد.

پتانسیل بی‌سابقه در سرعت و حجم

پژوهشگران معتقدند مواد کوانتومی می‌توانند وظایف پردازشی را سریع‌تر و در حجمی بسیار کمتر از سیلیکون انجام دهند. آلبرتو د لا تور، فیزیک‌دان مواد دانشگاه نورث‌ایسترن و نویسنده اصلی تحقیق، اشاره می‌کند که پردازنده‌های کنونی در فرکانس گیگاهرتز کار می‌کنند، اما این فناوری نوین امکان حرکت به سمت ترابیت را فراهم می‌آورد.

روش «کوئنچینگ حرارتی» و حالت فلزی پنهان

روش اصلی به‌کاررفته در این تحقیق، «کوئنچینگ حرارتی» نام دارد. در این روش، با تاباندن نور به ماده، دمای آن افزایش یافته و خاصیت رسانایی فلزی آن فعال می‌شود. این «حالت فلزی پنهان» پیش از این تنها در دماهای بسیار پایین و برای مدت کمتر از یک ثانیه مشاهده شده بود.

یافته‌های جدید نشان می‌دهند که این حالت با نوسانات دمایی در دمای عملی‌تر و نسبتاً بالا (حدود منفی ۷۳ درجه سانتی‌گراد، بیش از ۲۵۰ درجه گرم‌تر از آزمایش‌های گذشته) قابل دستیابی است. نکته قابل توجه این است که ماده ۱T-TaS₂ می‌تواند با این روش، رسانایی خود را برای ماه‌ها حفظ کند که پیش از این سابقه نداشته است.

عملکردی مشابه ترانزیستورها

هنگامی که تابش نور متوقف می‌شود، دمای ماده کاهش یافته و ۱T-TaS₂ به حالت عایق اولیه خود بازمی‌گردد. این عملکرد شباهت زیادی به ترانزیستورها دارد؛ نیمه‌رساناهایی که در دستگاه‌های الکترونیکی امروزی برای کنترل جریان برق استفاده می‌شوند. پیشرفت ترانزیستورها، که بر اساس قانون مور صورت گرفته، نقش کلیدی در کوچک‌تر شدن رایانه‌ها از حجم اتاق‌های بزرگ به اندازه یک جیب داشته است.

تحول در الکترونیک با کنترل دقیق مواد کوانتومی

گریگوری فیت، فیزیک‌دان نظری دانشگاه نورث‌ایسترن و یکی از نویسندگان مقاله، معتقد است درک و کنترل دقیق مواد کوانتومی می‌تواند تحول بزرگی در الکترونیک ایجاد کند. او می‌گوید:

هدف ما رسیدن به بالاترین میزان کنترل بر ویژگی‌های مواد است تا بتوانیم تغییرات سریع و قطعی در آن‌ها ایجاد کنیم که برای ساخت دستگاه‌های پیشرفته حیاتی است.

فیت تأکید می‌کند که هیچ چیزی سریع‌تر از نور نیست و توانایی تغییر بین حالت‌های رسانایی در دمای بالاتر، تحولی اساسی برای جایگزینی فناوری‌های مبتنی بر سیلیکون محسوب می‌شود. قطعات سیلیکونی سنتی دارای محدودیت‌های فیزیکی خاص خود هستند.

این روش با ترکیب ویژگی‌های رسانایی و عایقی در یک ماده واحد، یکی از چالش‌های مهندسی در ادغام قابلیت‌ها را به طور مؤثر حل کرده است.

نور، ابزار کنترل سرعت پردازش

کوئنچینگ حرارتی به افزایش سرعت پردازش کمک می‌کند، زیرا نور به عنوان ابزاری برای کنترل رسانایی به کار می‌رود. فیت توضیح می‌دهد:

هر کسی که از کامپیوتر استفاده کرده، لحظه‌ای را تجربه کرده که آرزو کرده بارگذاری سریع‌تر باشد. ما با استفاده از نور، خواص ماده را با سرعتی در حد سریع‌ترین سرعت ممکن در فیزیک کنترل می‌کنیم.

آینده الکترونیک و نیاز به رویکرد نوین

این یافته‌ها افق‌های جدیدی را برای آینده الکترونیک می‌گشایند؛ آینده‌ای که در آن مهندسان می‌توانند به سرعت و دقت خواص مواد را تحت کنترل داشته باشند. فیت در پایان خاطرنشان می‌کند:

ما اکنون در نقطه‌ای هستیم که برای رسیدن به جهش‌های شگرف در ذخیره‌سازی اطلاعات و سرعت عملکرد، نیازمند رویکردی نوین هستیم. این دقیقاً همان چیزی است که این پژوهش به دنبال آن است.