اثر کوانتومی هال: انقلاب در الکترونیک و آینده‌ای کم‌مصرف‌تر

اثر کوانتومی هال: تحولی در دنیای الکترونیک

اثر کوانتومی هال، که یکی از بنیادی‌ترین پدیده‌ها در قلمرو مکانیک کوانتومی به شمار میره، نه فقط جریان الکتریکی، بلکه جریان مغناطیسی رو هم ایجاد می‌کنه. این اتفاق جالب به خاطر چرخش الکترون‌ها توی مدارهایی دور هسته‌های اتم‌هاست. یه گروه پژوهشی از دانشگاه مارتین لوتر هاله-ویتنبرگ (MLU) با انجام محاسبات پیچیده این موضوع رو روشن کردن، و نتایجشون توی مجله‌ی “Physical Review Letters” منتشر شده. این یافته‌ها می‌تونن راهی باشن به سمت تولید نسل جدیدی از دستگاه‌های الکترونیکی که هم ارزان‌تر و هم کم‌مصرف‌تر هستن.

جریان برق توی همه‌ی وسایل الکترونیکی وجود داره، از موبایل‌ها گرفته تا کامپیوترها. اما این جریان یه مشکلی داره: تولید گرما. این یعنی انرژی داره هدر میره و همچنین باعث میشه که نتونیم چیپ‌های کامپیوتری رو تا بی‌نهایت کوچیک کنیم. دانشمندا توی حوزه‌ی اسپین-اوربیتالکترونیک دنبال راه‌هایی هستن که اطلاعات رو بدون این اتلاف انرژی ذخیره و پردازش کنن. ایده‌ی اصلی اینه که علاوه بر بار الکترون، از اسپین و گشتاور زاویه‌ای اون هم برای پردازش اطلاعات استفاده بشه.

اسپین، یه ویژگی ذاتی الکترونه و میشه گفت یه جور گشتاور زاویه‌ای درونیه، و گشتاور زاویه‌ای هم ناشی از حرکت الکترون‌ها دور هسته‌ی اتمه. پروفسور اینگرید مرتیگ، که فیزیکدانه توی دانشگاه MLU میگه: “ترکیب این دو تا اثر به ما این امکان رو میده که دستگاه‌های جدیدی بسازیم که قوی‌تر و کارآمدتر باشن.” پایه‌ی این تحقیقات جدید، بر اساس اثر هال کوانتومی بنا شده. کلاوس فون کلیتزینگ به خاطر کشف این اثر، در سال ۱۹۸۵ جایزه‌ی نوبل فیزیک رو دریافت کرد.

اهمیت میدان مغناطیسی قوی

این اثر وقتی مشاهده میشه که الکترون‌ها در معرض یه میدان مغناطیسی خیلی قوی و در دماهای خیلی پایین قرار می‌گیرن. دکتر بورگه گوبل توضیح میده: “اثر هال کوانتومی یه ویژگی خاص داره چون جریان‌های الکتریکی که تولید میشه، فقط در لبه‌های نمونه جریان دارن. علاوه بر این، مقاومت الکتریکی هم فقط می‌تونه مقدار مشخصی داشته باشه.” با وجود اینکه دانشمندا سالهاست که از این اثر خبر دارن، محاسبات این تیم تحقیقاتی، یه دیدگاه جدیدی رو باز کرده: جریان‌های لبه‌ای، به خاطر گشتاور مداری الکترون‌ها، ویژگی‌های مغناطیسی هم دارن. دکتر گوبل اضافه می‌کنه: “در آینده، میشه از این جریان‌ها برای انتقال اطلاعات بیشتر و بهتر کردن کارایی دستگاه‌های الکتریکی استفاده کرد.“

تحقیقات جدید و پیشرفت‌های حاصله

نکته‌ی جالب اینه که این اثر جدید، در کنار اثر هال کوانتومی رخ میده و به مواد نادر و گرون‌قیمتی که معمولاً توی اسپینترونیک استفاده میشه، وابسته نیست. گوبل و مرتیگ دارن تحقیقاتشون رو در قالب پروژه‌ی بین‌المللی “مهندسی مداری برای الکترونیک نوآورانه” (Obelix) ادامه میدن، که این پروژه توسط برنامه‌ی “Pathfinder” شورای نوآوری اروپا تأمین مالی میشه. هدف این پروژه، پیدا کردن فناوری‌های جدیدی هست که بشه به بازار عرضه کرد.

همکاری‌های بین‌المللی و نگاه به آینده

به همین منظور، مرتیگ و گوبل با مؤسسات تحقیقاتی توی آلمان، فرانسه و سوئد همکاری می‌کنن. اونها همچنین با مشارکت در “مرکز الکترونیک چیرال” که شامل دانشگاه آزاد برلین و دانشگاه رگنزبورگ هم میشه، تخصصشون رو توی زمینه‌ی اسپینترونیک به کار می‌برن. ضمن اینکه مؤسسه‌ی ماکس پلانک فیزیک میکروساختار در شهر هاله هم توی این پروژه مشارکت داره.