پیشرفت ابررسانا ممکن است انقلابی در صنعت تراشه ایجاد کند

پروفسور مظهر علی، رئیس تیم تحقیقاتی دانشگاه صنعتی دلفت (Delft)، پیشرفت علمی خود را این‌گونه بیان می‌کند:

اگر قرن بیستم برای نیمه‌هادی‌ها بود، قرن بیست‌ویکم می‌تواند قرن ابررساناها شود.

گزارش اخیر tomshardware مربوط به ابررساناها است که گروهی از مواد با توانایی ارائه‌ی رسانایی الکتریکی بدون تلفات هستند. این تحقیق نشان می‌دهد ابررساناها نیز می‌توانند فقط جریان الکتریکی را در یک جهت منتقل کنند و این مسئله قبلاً غیرممکن بود. این کشف ممکن است درنهایت به وسایل الکترونیکی اجازه دهد نه‌تنها کارآمدتر شوند؛ بلکه عملکرد بیشتری نیز داشته باشد.

ابررساناها موادی هستند که جریان را بدون هیچ مقاومتی حمل می‌کنند. این بدان‌معنی است صرف‌نظر از فاصله‌ی فیزیکی واقعی که نقطه‌ی مبدأ و مقصد سیگنال را از هم جدا می‌‎کند، سیگنال‌ها یکپارچگی خود را از دست نمی‌دهند و هیچ اتلاف انرژی به‌شکل گرما وجود ندارد؛ حتی اگر آن را در واحدهای نجومی (AUs) اندازه‌گیری کنید.

مشکل مواد ابررسانا این است که به‌دلیل خصلتشان، کنترل جریان الکترون‌ها در آن‌ها غیرممکن می‌شود. ازآن‌‌جاکه هیچ مقاومتی در طول ماده نیست، راه آسانی برای افزودن آن نیز وجود ندارد و جریان به‌سمت جلو و عقب حرکت می‌کند. معمولاً می‌توان جریان الکترون‌ها را ازطریق استقرار میدان‌های الکترومغناطیسی کنترل کرد؛ اما طراحی و کنترل و استقرار در مقیاس نانومتری فرایندهای تولید فعلی بسیار سخت است و می‌تواند هزینه‌ها و مقیاس‌پذیری را تحت‌تأثیر قرار دهد.

دانشمندان این مشکل را با جایگزینی اجزای کلاسیک Josephson Junctions حل کردند که برای شکستن تقارن مواد استفاده می‌شود. برای انجام این کار، آن‌ها ماده‌ی کوانتومی جدیدی را به‌کار بردند. آن‌ها اساساً مواد کلاسیکی هستند که دست‌کاری یا تراشیده شده‌اند تا به ‌اندازه‌ی حداقل خود (عموماً به ضخامت مولکول‌ها) برسند. دانشمندان طرح جدیدشان که براساس ماده‌ی کوانتومی Nb3Br8 ساخته شده است، «مواد کوانتومی Josephson Junctions» می‌نامند.

مانند گرافن، Nb3Br8 ماده‌ای دوبعدی است که تیم تحقیقاتی مذکور بر این باورند می‌تواند میزبان یک دوقطبی خالص الکتریکی باشد. این ساختار مفید امکان شکستن تقارن ابررسانا را فراهم می‌کند. با چنین ماد‌ه‌ای، محققان می‌توانند جریان ابررساناها را کنترل کنند و آشوب الکترونی را از بین ببرند. اکنون الکترون‌ها می‌توانند از ابررسانا بدون هیچ مقاومتی عبور کنند.

تصور کنید تکه‌ای مخمل در دست دارید. اگر انگشت خود را در جهت الیاف بکشید، با مقاومت اندکی مواجه می‌شوید؛ اما اگر مخالف الیاف این کار را انجام دهید، احساس نرمی تا حد زیادی از بین می‌رود. این امر نشان می‌دهد که بین جهت‌ها تفاوت وجود دارد.

شورای تحقیقات هلند (NWO) تخمین می‌زند مزیت بهره‌وری از ابررسانا به‌تنهایی باعث کاهش ۱۰ درصدی مصرف انرژی جهانی غرب درمقایسه‌با نیمه‌هادی‌های سنتی می‌شود. همچنین، سازندگان تراشه می‌توانند از این فرصت استفاده کنند تا گرما و اتلاف انرژی الکتریکی را در طراحی‌های خود کاهش دهند.

عنصر دیگر این تحقیق نوع افزایش عملکرد ابررساناها درمقایسه‌با همتایان نیمه‌هادی سنتی خود است که به‌دلیل مقاومت الکتریکی طبیعی مواد، تنها بخشی از جریان اصلی را به مقصد می‌رساند. به‌گفته‌ی مظهرعلی، این پیشرفت علمی جدید می‌تواند راه را برای تحولی شگرف در صنعت تولید تراشه هموار کند. این فناوری که فقط با نیمه‌هادی‌ها به‌دست آمده است، اکنون می‌تواند با ابررساناها بازسازی شود. درنهایت، او گفت می‌توان در آینده‌ از آن برای کاربردهای اجتماعی و فناوری واقعی استفاده کرد.

مانند تحقیقات دیگر، باید کارهای زیادی انجام شود تا این یافته‌ها به محصولاتی واقعی تبدیل شوند. درحال‌حاضر، دانشمندان روی کاهش دمای عملیاتی طراحی خود متمرکز شده‌اند. هدف دستیابی به شرایطی است که به دیودهای جوزفسون اجازه می‌دهد در دمای ۷۷ کلوین (منفی ۱۹۲ درجه‌ی سانتی‌گراد) کار کنند.

عنصر دیگری که باید به آن توجه کرد، میزان توانایی در تولید انبوه است. کار محققان این است که ثابت کنند آیا ابررسانه‌ها را می‌توان در نانودستگاه‌ها به‌کار گرفت یا خیر؛ اما تفاوت بسیاری بین اهداف آکادمیک و اقتصادی‌تجاری وجود دارد. حال باید منتظر ماند و دید آیا محققان می‌توانند راهی برای دسترسی عموم به آن پیدا کنند.