طور فريق من العلماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، جهازاً بسيطاً فائق التوصيل يمكنه نقل التيار عبر الأجهزة الإلكترونية بكفاءة أكبر بكثير مما هو متاح اليوم. ونتيجة لذلك، فإن الصمام الثنائي الجديد، وهو نوع من المفاتيح، يمكن أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة لأنظمة الحوسبة عالية الاستهلاك للطاقة. هذه قضية ملحة من المتوقع أن تصبح أكثر أهمية في المستقبل. رغم أن الصمام الثنائي ما زال في المراحل الأولى من التطوير، فهو أكثر كفاءة من معظم تلك الصمامات المستخدمة حالياً بما يزيد على الضعف. ويمكن أن يصبح جزءاً لا يتجزأ من تقنيات الحوسبة الكمومية الناشئة.
العمل ، الذي نُشر عبر الإنترنت على موقع Physical Review Letters، هو أيضاً موضوع قصة إخبارية في "مجلة الفيزياء".
يقول فيليب مول، مدير معهد ماكس بلانك لهيكل وديناميكيات المادة في ألمانيا والذي لم يشارك في العمل: توضح هذه الورقة أن الصمام الثنائي فائق التوصيل يمثل مشكلة تم حلها بالكامل من منظور هندسي. يكمن جمال هذا العمل في أن "موديرا وزملاؤه" حصلوا على كفاءات قياسية من دون حتى بذل مجهود كبير، ويبدو أن هياكلهم لا تحتاج إلى التحسين حتى الآن.
يقول جاغديش موديرا ، قائد العمل الحالي وعالم أبحاث أول في قسم MIT في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: إن هندستنا لضمان فعالية عمل الصمام الثنائي قوية للغاية، ويمكن أن تعمل على نطاق واسع من درجات الحرارة في أنظمة بسيطة ومن المحتمل أن يفتح الباب أمام تقنيات جديدة.
الصمام الثنائي المستطيل النانوي - أرق بحوالي 1000 مرة من قطر شعرة الإنسان - وهو قابل للقياس بسهولة. يمكن إنتاج الملايين منه على رقاقة سيليكون واحدة.
نحو مفتاح فائق التوصيل
إن الثنائيات، وهي الأجهزة التي تسمح للتيار بالانتقال بسهولة في اتجاه واحد ولكن ليس في الاتجاه المعاكس، موجودة في كل مكان في أنظمة الحوسبة. تحتوي رقائق الكمبيوتر الحديثة من أشباه الموصلات على مليارات من الأجهزة الشبيهة بالديود المعروفة باسم الترانزستورات. ومع ذلك، يمكن أن تصبح هذه الأجهزة ساخنة بسبب المقاومة الكهربائية، مما يتطلب كميات هائلة من الطاقة لتبريد الأنظمة عالية الطاقة في مراكز البيانات وراء عدد لا يحصى من التقنيات الحديثة، بما في ذلك الحوسبة السحابية؛ حيث يمكن لهذه الأنظمة استخدام ما يقرب من 20 % من طاقة العالم في غضون عشر سنوات.
نتيجة لذلك، كان العمل على إنشاء ثنائيات مصنوعة من الموصلات الفائقة موضوعاً ساخناً في فيزياء المادة المكثفة. وذلك لأن الموصلات الفائقة تنقل التيار بدون مقاومة على الإطلاق تحت درجة حرارة منخفضة معينة (درجة الحرارة الحرجة)، وبالتالي فهي أكثر كفاءة من أبناء عمومتها أشباه الموصلات، التي لديها فقدان ملحوظ للطاقة على شكل حرارة.
حتى الآن تضمنت مناهج أخرى للمشكلة فيزياء أكثر تعقيداً. يقول موديرا: يرجع التأثير الذي اكتشفناه (جزئياً) إلى خاصية منتشرة في كل مكان للموصلات الفائقة التي يمكن تحقيقها بطريقة بسيطة جداً ومباشرة، كان الحل يحدق في وجهنا كل الوقت.
يقول مول من معهد ماكس بلانك لهيكل وديناميكيات المادة: العمل هو نقطة مقابلة مهمة للأسلوب الحالي لربط الثنائيات فائقة التوصيل مع الفيزياء الغريبة، مثل حالات اقتران الزخم المحدود. بينما في الواقع، يعد الصمام الثنائي فائق التوصيل ظاهرة شائعة وواسعة الانتشار موجودة في المواد الكلاسيكية، نتيجة لبعض التماثلات المعطلة.
اكتشاف عن طريق الصدفة
في عام 2020، لاحظ موديرا وزملاؤه دليلاً على وجود زوج جسيم غريب يُعرف باسم فرميونات ماجورانا. يمكن أن تؤدي أزواج الجسيمات هذه إلى عائلة جديدة من الكيوبتات التوبولوجية، وهي اللبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. أثناء التفكير في الأساليب لإنشاء ثنائيات فائقة التوصيل، أدرك الفريق أن منصة المواد التي طوروها لعمل ماجورانا يمكن أيضاً تطبيقها لحل مشكلة الصمام الثنائي.
كانوا على حق. باستخدام تلك المنصة العامة، طوروا تكرارات مختلفة من الثنائيات فائقة التوصيل، كل منها أكثر كفاءة من سابقته. الأول، على سبيل المثال ، يتألف من طبقة رقيقة من الفاناديوم، وهو موصل فائق النانو، والذي تم تشكيله في هيكل مشترك في الإلكترونيات (شريط القاعة). عندما طبقوا مجالاً مغناطيسياً صغيراً يمكن مقارنته بالمجال المغناطيسي للأرض، رأوا تأثير الصمام الثنائي - اعتماد قطبية عملاقة لتدفق التيار.
ثم ابتكروا ديوداً آخر، وهذه المرة وضعوا طبقة من الموصل الفائق بمغناطيس حديدي (عازل مغناطيسي حديدي في علبته)، وهي مادة تنتج مجالها المغناطيسي الصغير. بعد تطبيق مجال مغناطيسي صغير لمغنطة المغناطيس الحديدي بحيث ينتج مجاله الخاص، وجدوا تأثيراً أكبر للديود كان مستقراً حتى بعد إيقاف المجال المغناطيسي الأصلي.
خصائص واسعة الانتشار
بالإضافة إلى نقل التيار بدون مقاومة، تمتلك الموصلات الفائقة أيضاً خصائص أخرى أقل شهرة ولكنها منتشرة في كل مكان. على سبيل المثال، لا تحب السماح للمجالات المغناطيسية بالدخول ، وبالتالي تحافظ على حالتها فائقة التوصيل. يمكن النظر إلى هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير فحص مايسنر، على أنها أقرب إلى إطلاق جهاز المناعة في أجسامنا للأجسام المضادة لمحاربة عدوى البكتيريا ومسببات الأمراض الأخرى. وبالمثل، لا تستطيع الموصلات الفائقة أن تمنع الحقول المغناطيسية الكبيرة تماماً.
تستفيد الثنائيات التي أنشأها الفريق من تأثير الفحص الشامل من مايسنر. ينشط المجال المغناطيسي الصغير الذي قاموا بتطبيقه - إما بشكل مباشر أو من خلال الطبقة المغناطيسية الحديدية المجاورة - آلية غربلة المادة الحالية لطرد المجال المغناطيسي الخارجي والحفاظ على الموصلية الفائقة.
وجد الفريق أيضاً أن عاملاً رئيسياً آخر في تحسين هذه الثنائيات الفائقة الموصلية هو الاختلافات الصغيرة بين جانبي أو حواف أجهزة الصمام الثنائي. يقول موديرا إن هذه الاختلافات "تخلق نوعاً من عدم التناسق في الطريقة التي يدخل بها المجال المغناطيسي إلى الموصل الفائق".
من خلال هندسة شكلهم الخاص من الحواف على الثنائيات لتحسين هذه الاختلافات - على سبيل المثال، حافة واحدة مع ميزات سن المنشار، بينما لم يتم تغيير الحافة الأخرى عن قصد - وجد الفريق أنه يمكنهم زيادة الكفاءة من 20 % إلى أكثر من 50 %. يقول موديرا إن هذا الاكتشاف يفتح الباب أمام الأجهزة التي يمكن "ضبط" حوافها لتحقيق كفاءات أعلى.
باختصار، اكتشف الفريق أن عدم تناسق الحواف داخل الثنائيات فائقة التوصيل، وتأثير الفرز في كل مكان من مايسنر الموجود في جميع الموصلات الفائقة، وخاصية ثالثة للموصلات الفائقة المعروفة باسم تثبيت الدوامة، اجتمعت جميعها لإنتاج تأثير الصمام الثنائي.
"كان كل يوم مثيراً، سواء كنت أقرأ عشرات الأوراق لفهم ظاهرة الصمام الثنائي بشكل أفضل، أو أشغل الآلات لتصنيع ثنائيات جديدة للدراسة، أو الانخراط في محادثات مع أورانيا ، والدكتور "هو"، والدكتور موديرا حول بحثنا.
"أنا ممتن للغاية للدكتور موديرا والدكتور "هو" لإتاحة الفرصة لي للعمل في مثل هذا المشروع الرائع، ولأورانيا لكونها شريكاً وصديقاً بحثياً رائعاً".
----