انقلاب در دنیای الکترونیک: کشف اثر کوانتومی هال و دستگاه‌های آینده

اثر کوانتومی هال: دریچه‌ای به سوی انقلاب در دنیای الکترونیک

اثر کوانتومی هال، که از شاهکارهای بنیادین فیزیک کوانتوم به شمار می‌ره، یه جورایی هم جریان برق و هم جریان مغناطیسی رو به وجود میاره. این پدیده جالب، از حرکت الکترون‌ها توی مدارشون دور هسته‌ی اتم‌ها سرچشمه می‌گیره. یه گروه از دانشمندا توی دانشگاه مارتین لوتر هاله-ویتنبرگ (MLU) با کلی محاسبه و تحقیق، این موضوع رو اثبات کردن و نتایجشون رو توی مجله‌ی “Physical Review Letters” منتشر کردن. این یافته‌ها می‌تونن به ساخت دستگاه‌های جدید، کم‌هزینه و با مصرف انرژی خیلی کم کمک کنن.

خب، جریان برق توی همه‌ی وسایل الکترونیکی مثل موبایلا و کامپیوترها هست. اما این جریان، گرما تولید می‌کنه که یعنی از دست رفتن انرژی. از طرف دیگه، این موضوع باعث می‌شه که تراشه‌های کامپیوتری معمولی نتونن تا بی‌نهایت کوچیک بشن. دانشمندا توی زمینه‌ی اسپین-اورتونیک دنبال راه حل‌هایی هستن که اطلاعات رو بدون هدر رفتن انرژی ذخیره و پردازش کنن.

ایده‌ی اصلی اینه که نه تنها از بار الکترون‌ها، بلکه از اسپین و گشتاور زاویه‌ای مداری اون‌ها هم برای پردازش اطلاعات استفاده بشه. اسپین، تکانه زاویه‌ای ذاتی الکترونه و گشتاور زاویه‌ای مداری هم از حرکت الکترون‌ها دور هسته‌ی اتم‌ها ناشی می‌شه. پروفسور اینگری مرتیگ، که فیزیکدانه توی MLU، میگه: “ترکیب این دو تا اثر، به ما این امکان رو می‌ده که دستگاه‌های جدیدی طراحی کنیم که هم قدرتمندتر باشن و هم بازدهی بیشتری داشته باشن.”

بنیان‌گذار این مطالعه‌ی جدید، همون اثر هال کوانتومی هستش. کلاوس فون کلیتزینگ سال ۱۹۸۵ به‌خاطر کشف این پدیده جایزه‌ی نوبل فیزیک رو گرفت.

تأثیر میدان مغناطیسی قوی روی الکترون‌ها

این تأثیر زمانی دیده می‌شه که الکترون‌ها توی یه میدان مغناطیسی خیلی قوی قرار می‌گیرن و دمای محیط هم خیلی پایینه. دکتر بورگه گوبل توضیح می‌ده: “اثر هال کوانتومی جالبه، چون جریان‌های الکتریکی فقط توی لبه‌های نمونه‌ها حرکت می‌کنن. به‌علاوه، مقاومت الکتریکی هم فقط می‌تونه مقادیر خاصی داشته باشه.”‌ با اینکه دانشمندا چند دهه هست که این اثر رو می‌شناسن، اما محاسبات این تیم تحقیقاتی، یه دیدگاه جدید به ما داده: جریان‌های لبه‌ای به‌خاطر گشتاور زاویه‌ای مداری الکترون‌ها، ویژگی‌های مغناطیسی هم دارن. گوبل می‌گه: “در آینده، می‌شه از این جریان‌ها برای انتقال اطلاعات بیشتر و بهبود عملکرد دستگاه‌های الکتریکی استفاده کرد.”

تحقیقات بین‌المللی و همکاری علمی

جالبه که این اثر جدید، علاوه بر اثر هال کوانتومی اتفاق می‌افته و به مواد کمیاب و گرون‌قیمت که معمولاً توی اسپینترونیک‌ها دیده می‌شن، وابسته نیست. گوبل و مرتیگ در حال حاضر دارن تحقیقاتشون رو در قالب یه پروژه‌ی تحقیقاتی بین‌المللی به اسم “مهندسی مداری برای الکترونیک نوآورانه” (Obelix) ادامه می‌دن که توسط برنامه‌ی “پیشگام” از شورای نوآوری اروپا حمایت مالی می‌شه. هدف این پروژه، پیدا کردن فناوری‌های جدید و قابل عرضه به بازاره.

مرتیگ و گوبل هم به‌همین منظور با مؤسسات تحقیقاتی تو آلمان، فرانسه و سوئد همکاری می‌کنن. اونا همچنین با مشارکت توی “مرکز الکترونیک چیرال” که دانشگاه مارتین لوتر هاله (MLU) همراه با دانشگاه آزاد برلین و دانشگاه رگنزبورگ راه‌اندازی کردن و برای اون درخواست بودجه‌ی استراتژیک دادن، دارن تخصصشون رو توی زمینه‌ی اسپینترونیک به اشتراک می‌ذارن. مؤسسه ماکس پلانک فیزیک میکروساختار در هاله هم توی این پروژه مشارکت داره.