نجح باحثون إسرائيليون في إنتاج ترانزستور يعتمد على ذرة واحدة، في جهاز كهربائي يبلغ طوله 2 نانومتر فقط. البروفيسور هادار شتاينبرغ، أحد قادة البحث: "في جهازنا، هو ترانزستور مصنوع من ذرة واحدة لا تبعد سوى نانومتر واحد عن الموصلات الموجودة في بيئته. لقد وصلنا إلى حد جديد في قدرات التصغير"
في عام 2012، ورد في مجلة Nature Nanotechnology أن فيزيائيين أستراليين وأمريكيين نجحوا في تطوير أصغر ترانزستور سيليكون في العالم، ويتكون من ذرة واحدة من الفوسفور داخل رقاقة السيليكون. كان هذا التطوير خطوة أخرى في الجهود المستمرة لتصغير الترانزستورات، والتي تعد عنصرًا أساسيًا وحيويًا للغاية في صناعة الإلكترونيات. وذكر الباحثون أنهم استخدموا مجهر المسح النفقي (الذي يمكن من خلاله فحص الأسطح على المستوى الذري) لوضع ذرة الفوسفور المفردة على لوح السيليكون، بين الأقطاب الكهربائية، ورأوا أنه تم توليد تيار كهربائي. حتى ذلك الحين، لم يتم إنتاج الترانزستورات المعتمدة على ذرة واحدة إلا عن طريق الصدفة، في حين كانت دراسة عام 2012 هي المرة الأولى التي يتم فيها ذلك عن طريق التصميم. في شهر مايو من هذا العام، كان باحثون من المعهد الأمريكي للتكنولوجيا NIST وزملاؤهم من جامعة ميريلاند، هم الذين عملوا على تجربة مماثلة والتي جاء في مجلة Science Daily أن "هذا هو الفريق الثاني في العالم الذي النجاح في بناء ترانزستور ذرة واحدة".
ترانزستور السيليكون عبارة عن مفتاح أو صمام إلكتروني يجعل من الممكن تنفيذ الأجهزة المنطقية التي كانت الدعامة الأساسية لثورة المعلومات منذ الستينيات. الترانزستور هو مفتاح كهربائي مصنوع من مادة شبه موصلة، والتي تشكل الأساس الثنائي للأجهزة الإلكترونية. يحدد المفتاح الأرقام الثنائية 60 و 0 بمستويين من الجهد - الجهد العالي والجهد المنخفض. وهذه الأجهزة، كما نعلم، أصبحت أصغر فأصغر، وقد وصلت في السنوات الأخيرة إلى أبعاد تصل إلى حوالي 1 نانومتر. هذه الأبعاد تجعل من الممكن حشر مئات الملايين من الأجهزة على شريحة واحدة، ووضع في متناول الجميع قوة حاسوبية كانت تعتبر خيالية في الأجيال السابقة. علاوة على ذلك، من المتوقع أن تكون الترانزستورات المكونة من ذرات مفردة هي اللبنات الأساسية لجيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية، مع ذاكرة وقوة معالجة لا مثيل لها. لماذا من المهم جدًا اليوم إضافة الترانزستورات وتقليلها؟ كلما كان الترانزستور أصغر، أمكن تحقيق التحكم في المعلومات بشكل أسرع، ويمكن تعبئة المزيد من الأجهزة في حجم معين.
"في الدراسات السابقة، تمكن الفيزيائيون من إدراك الإلكترونيات على أساس ذرة واحدة، ولكنها ذرة موجودة على السطح. "على مر السنين، لم يحل الباحثون المشكلة الرئيسية - الذرة موجودة على السطح، وبالتالي عرضة لبيئتها"، يوضح البروفيسور هدار شتاينبرغ، الذي يعمل هذه الأيام مع باحثين من معهد راكيه للفيزياء في الجامعة العبرية. جامعة القدس على ترانزستور مبني من ذرة واحدة، تم تصغيره إلى أصغر حجم معروف للعلم. "بخلاف الدراسات السابقة، في دراستنا، في النظام الجديد الذي أنشأناه باستخدام ترانزستور مبني من ذرة واحدة، أصبح التوصيل الكهربائي ممكنًا من خلال خلل مدمج في عازل. هذا النظام مستقر للغاية وأقل عرضة للخطر. ومن المهم جداً التأكيد على أن هدفنا ليس من سيصل إلى ترانزستور يعمل من ذرة واحدة أولاً، بل أيضاً المساهمة والابتكار في العلم، للوصول إلى قدرات لم تكن موجودة من قبل. وفي جهازنا عبارة عن ترانزستور مصنوع من ذرة واحدة لا تبعد سوى نانومتر واحد عن الموصلات الموجودة في بيئته."
وهكذا، في تجربة حديثة بقيادة البروفيسور هدار شتاينبرغ وبمساعدة طالب الدكتوراه إيتاي كيرين - وكلاهما من معهد راكاح للفيزياء في الجامعة العبرية في القدس، والتي نشرت هذه الأيام في مجلة Nature Communications، تمكن الباحثون من لتصنيع ترانزستور مصنوع من ذرة واحدة باستخدام قطب كهربائي من أنحف موصل كهربائي عرفه العلم - وهي مادة تسمى الجرافين. الجرافين عبارة عن طبقة واحدة من الجرافيت، وهي عبارة عن تكوين من الكربون النقي، مبني في هيكل متعدد الطبقات. كل طبقة من الجرافين عبارة عن ورقة من ذرات الكربون ذات بنية قرص العسل. يتمتع الجرافين بخاصيتين رئيسيتين تسمحان له بتكوين إلكترونيات الذرات المفردة. من ناحية، فهو موصل كهربائي ممتاز. ومن ناحية أخرى، ونتيجة لسمكها البسيط، فإنها تسمح بمرور المجال الكهربائي. وهكذا، على عكس الطبقة المعدنية، فإن الجهد الكهربائي المطبق على أحد جانبي ورقة الجرافين سوف "يتسرب" إلى الجانب الآخر.
استخدم الباحثون طريقة تعتمد على بناء الأجهزة من مواد ذات طبقات. تُستخدم هذه الطريقة حاليًا في مختلف مختبرات الأبحاث في العالم، وتسمح بتقشير مادة ذات طبقات يصل سمكها إلى ذرة واحدة، ووضع عدة طبقات فوق بعضها البعض - كما يفترض المرء، على سبيل المثال، كومة من الورق أو بطاقات. قام الباحثون ببناء جهاز كهربائي يتكون في قلبه من طبقة رقيقة جدًا، بسمك 2 نانومتر فقط، من مادة عازلة ذات طبقات. على جانب واحد من العازل تم وضع الجرافيت، وعلى الجانب الآخر - الجرافين. وفي قياس كهربائي، اكتشفوا أن التيار يترك الجرافيت، ويمر عبر ذرة واحدة في الطبقة العازلة، ويصل إلى الجرافين. ومن خلال تطبيق جهد كهربائي على الجانب الآخر من الجرافين، تمكن الباحثون من تشغيل وإيقاف التيار، مما يدل على أن التيار يحمله ذرة واحدة. "بسبب استخدام الجرافين، من الممكن تنشيط مجال كهربائي من خلال القطب الكهربائي، وليس الموازي له. "هذه هي الطريقة التي نصل بها إلى حد جديد في قدرات التصغير"، يوضح البروفيسور شتاينبرغ.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 5
مذهل، يا له من تطور مهم!
جميل، فقط إذا كنت تستطيع ترجمتها إلى العبرية؟
حسنا، متى يمكنك بناء 4004 مع مثل هذه الترانزستورات؟ وكم ستكون سرعة ساعتهم؟ ومتى تصل إلى الشيء المبني من الذرة؟ وإلى متى سيتم الاحتفاظ بها؟ ومتى الكيوبت؟
الذرة - من أي عنصر؟ أنا أعتذر.
كان لدي ترانزستور مثل هذا، ولم يلتقط موجات تشال