تاثیر هال کوانتومی: جریان با خواص مغناطیسی جدید

اثر هال کوانتومی: انقلابی در الکترونیک

اثر هال کوانتومی، که یکی از اثرات بنیادی در مکانیک کوانتومی است، نه تنها جریان الکتریکی بلکه جریان مغناطیسی نیز تولید می‌کند. این پدیده از حرکت الکترون‌ها در مداری دور هسته‌های اتم‌ها ناشی می‌شود. تیمی از دانشگاه مارتین لوتر هاله-ویتنبرگ (MLU) با انجام محاسباتی این موضوع را به اثبات رسانده‌اند و نتایج آن‌ها در نشریه “Physical Review Letters” منتشر شده است. این نتایج می‌توانند به توسعه انواع جدیدی از دستگاه‌های ارزان و با بهره‌وری انرژی بالا کمک کنند.

جریان برق در تمام انواع دستگاه‌های الکترونیکی، از جمله تلفن‌های همراه و کامپیوترها، جاری است. اما این جریان تولید گرما می‌کند که به معنای اتلاف انرژی است. همچنین، این موضوع به این معناست که تراشه‌های کامپیوتری معمولی نمی‌توانند به طور نامحدود کوچک شوند. در زمینه اسپین-اورتونیک، محققان به دنبال جایگزین‌هایی برای ذخیره و پردازش اطلاعات بدون اتلاف انرژی هستند.

ایده اصلی این است که نه تنها از بار الکترون، بلکه از اسپین و مومنت مداری آن نیز در پردازش اطلاعات استفاده شود. اسپین، تکانه زاویه‌ای ذاتی یک الکترون است و مومنت مداری از حرکت الکترون‌ها در اطراف هسته‌های اتم ناشی می‌شود. پروفسور اینگری مرتیگ، فیزیکدان در MLU، می‌گوید: «ترکیب هر دو اثر به ما این امکان را می‌دهد که دستگاه‌های جدیدی طراحی کنیم که قدرتمندتر و کارآمدتر باشند.»

پایه‌گذار این مطالعه جدید، اثر هال کوانتومی است. کلاوس فون کلیتزینگ در سال 1985 برای کشف این پدیده، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

تأثیر میدان مغناطیسی قوی بر الکترون‌ها

این تأثیر زمانی مشاهده می‌شود که الکترون‌ها تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی بسیار قوی و در دماهای بسیار پایین قرار می‌گیرند. دکتر بورگه گوبل توضیح می‌دهد: «اثر هال کوانتومی خاص است زیرا جریان‌های الکتریکی تولید شده تنها در لبه‌های نمونه جریان می‌یابند. علاوه بر این، مقاومت الکتریکی مرتبط تنها می‌تواند مقادیر خاصی را به خود بگیرد.» با اینکه دانشمندان چندین دهه از این اثر آگاه بوده‌اند، محاسبات تیم تحقیقاتی بینش جدیدی را ارائه داده است: جریان‌های لبه‌ای همچنین دارای ویژگی‌های مغناطیسی به دلیل لحظه مداری الکترون‌ها هستند. گوبل می‌گوید: «در آینده، این جریان‌ها می‌توانند برای انتقال اطلاعات اضافی و بهبود کارایی دستگاه‌های الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند.»

تحقیقات بین‌المللی و همکاری‌های علمی

جالب اینجاست که این اثر جدید علاوه بر اثر هال کوانتومی رخ می‌دهد و به مواد نادر و گران‌قیمت که معمولاً در اسپینترونیک‌ها مشاهده می‌شود، وابسته نیست. گوبل و مرتیگ در حال حاضر تحقیقات خود را به عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی بین‌المللی «مهندسی مداری برای الکترونیک نوآورانه» (Obelix) ادامه می‌دهند که توسط برنامه «پیشگام» شورای نوآوری اروپا تأمین مالی می‌شود. هدف این پروژه یافتن فناوری‌های جدید و قابل عرضه به بازار است.

به همین منظور، مرتیگ و گوبل با مؤسسات تحقیقاتی در آلمان، فرانسه و سوئد همکاری می‌کنند. آنها همچنین با مشارکت در «مرکز الکترونیک چیرال» که دانشگاه مارتین لوتر هاله (MLU) به همراه دانشگاه آزاد برلین و دانشگاه رگنزبورگ برای تأمین مالی استراتژی برتری درخواست داده‌اند، به اشتراک‌گذاری تخصص خود در زمینه اسپینترونیک کمک می‌کنند. مؤسسه ماکس پلانک فیزیک میکروساختار در هاله نیز در این پروژه مشارکت دارد.