[h=2]قانون اهم تا ابعاد اتمی هم صادق است
تکنیک جدیدی که بوسیله ی آن سیم های در ابعاد اتمی در داخل بلور سیلیکون تعبیه می شوند، آشکار ساخت که قانون اهم برای سیم هایی که سطح مقطعشان تنها چهار اتم در یک اتم است نیز صادق است. این نتیجه شگفت آور است زیرا عقل متعارف می گوید که آثار کوانتومی بایستی باعث شود تا برای سیم هایی این چنین کوچک قانون اهم به شدت نقض شود. شاید متناقض جلوه کند که محققان امیدوارند یافته های این تحقیق به توسعه ی کامپیوترهای کوانتومی کمک کند.
همچنان که سازندگان تراشه ها تعداد مدارها را در ویفر سیلیکون افزایش می دهند، اندازه ی ترانزیستورها و دیگر قطعات به مقیاس اتمی نزدیک می شود. فراتر از چالش های صرفا تکنولوژیکی در ساخت اجزاء کوچکتر، بسیاری از فیزیکدانان نگران این موضوع هستند که به زودی ابهام ذاتی مکانیک کوانتومی، قوانین آشنا و کلاسیکی الکترونیک را منسوخ سازد.
برای تحقیق در مورد رسانایی در ابعاد اتمی Michelle Simmons ، Bent Weber و همکارانشان در دانشگاه New South Wales در استرالیا، روشی را ابداع کرده اند که با جاسازی اتمهای فسفر درون بلور سیلیکون، نواحی رسانا در ابعاد اتمی درون آن تعبیه می شود. اتم فسفر در لایه ی بیرونی اش یک الکترون بیشتر از سیلیکون دارد و اگر یک اتم فسفر جانشین یک اتم سیلیکون شود ( فرآیندی که آلایش n نامیده می شود) یک الکترون آزاد به بلور اهدا می شود و در نتیجه رسانندگی ناحیه آلایش یافته افزایش می یابد.
"دستاورد قابل توجه"
در آن چه David Ferry فیزیکدان ماده چگال دانشگاه ایالتی آریزونا ی امریکا از آن به عنوان یک "دستاورد قابل توجه" یاد می کند، تیم Simmons از نوک یک میکروسکوپ کاوش اسکن برای ایجاد یک کانال در سیلیکون با حذف لایه های اتم های سیلیکون استفاده می کند. سپس این سطح در معرض گاز فسفر قرار می گیرد و به دنبالش اتم های سیلیکون نشانده می شوند. نتیجه، زنجیره ای از اتم های فسفر جاسازی شده در داخل بلور سیلیکون خواهد بود-- عملا یک سیم اتمی. این تیم دریافت که مقاوت ویژه ی این سیم ها تا مقیاس اتمی ثابت است. یعنی مقاومت چنین سیمی با طولش رابطه مستقیم دارد و با سطح مقطعش رابطه معکوس، درست همان گونه که در مورد قانون اهم انتظار می رود.
اگرچه به گفته Simmons ، تکنیک بکاررفته برای ایجاد سیم ها نمی تواند در حال حاضر در فرآیندهای صنعتی بکار رود، Ferry معتقد است که این کار از آن جهت ارزشمند است که نشان می دهد مینیاتورسازی الکترونیک کلاسیکی، می تواند برای چندین سال ادامه یابد. بگفته ی وی:"شرکت هایی همچون Itel مدتی است نگران بوده اند که ادوات ساخت آن ها چنان کوچک باشند که رفتار کوانتوم مکانیکی از خود نشان دهند." طول گیت ترانزیستورها در حدود 22 نانومتر است یعنی در حدود 100 برابر فاصله ی تک اتمهای بلورسیلیکون. Ferry می افزاید: " نگرانی که وجود دارد این است که این ادوات را تا چه اندازه بیشتر می توان کوچک کرد پیش از آن که اثرات کوانتوم مکانیکی ظاهر شود و این آزمایش حاکی از آن است که هنوز چند نسل جا دارد."
سروکار داشتن با تک تک اتم ها
اما گروه Simmons به الکترونیک متعارف علاقه مند نیست و در عوض روی توسعه کامپیوترهای کوانتومی کار می کند. این تیم امیدوار است از تک اتم های فسفر به صورت بیت های کوانتومی یا همان کیوبیت ها استفاده کند. Simmons توضیح می دهد: " ما در حال ساخت قطعات تک اتمی هستیم و برای این که قادر باشیم با تک اتم ها سروکار داشته باشیم دریافته ایم که لازم است که الکترودها را هم اندازه ی اتم ها بسازیم و این در حقیقت چیزی است که این سیم ها را برایش استفاده می کنیم."
این جاست که Ferry نه فقط درباره ی رهیافت بلکه به طور کلی در مورد محاسبه کوانتومی تردیدش زیاد می شود. او می گوید: " من یکی از به اصطلاح مخالفین در این مبحث به شمار می آیم." در واقع او حتی می گوید که دوام پدیده ی کلاسیکی در ابعاد اتمی ممکن است استفاده از اتم های فسفر را به عنوان کیوبیت مشکل کند.
با این وجود خانم Simmons خوشبین باقی می ماند. او می گوید: " پنج سال پیش موانع بسیارزیادی برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی بر پایه فسفر وجود داشت و ما ذره ذره (بیت به بیت)، بر آنها غلبه کرده ایم. در حال حاضر من حدس می زنم چالش بزرگ برای محاسبه کوانتومی ساخت یک سیستم مقیاس پذیر است. مطمئناً این سیمها برای رسیدن به آن هدف بسیار مفید خواهند بود."
سایت علمی نخبگان
تکنیک جدیدی که بوسیله ی آن سیم های در ابعاد اتمی در داخل بلور سیلیکون تعبیه می شوند، آشکار ساخت که قانون اهم برای سیم هایی که سطح مقطعشان تنها چهار اتم در یک اتم است نیز صادق است. این نتیجه شگفت آور است زیرا عقل متعارف می گوید که آثار کوانتومی بایستی باعث شود تا برای سیم هایی این چنین کوچک قانون اهم به شدت نقض شود. شاید متناقض جلوه کند که محققان امیدوارند یافته های این تحقیق به توسعه ی کامپیوترهای کوانتومی کمک کند.
همچنان که سازندگان تراشه ها تعداد مدارها را در ویفر سیلیکون افزایش می دهند، اندازه ی ترانزیستورها و دیگر قطعات به مقیاس اتمی نزدیک می شود. فراتر از چالش های صرفا تکنولوژیکی در ساخت اجزاء کوچکتر، بسیاری از فیزیکدانان نگران این موضوع هستند که به زودی ابهام ذاتی مکانیک کوانتومی، قوانین آشنا و کلاسیکی الکترونیک را منسوخ سازد.
برای تحقیق در مورد رسانایی در ابعاد اتمی Michelle Simmons ، Bent Weber و همکارانشان در دانشگاه New South Wales در استرالیا، روشی را ابداع کرده اند که با جاسازی اتمهای فسفر درون بلور سیلیکون، نواحی رسانا در ابعاد اتمی درون آن تعبیه می شود. اتم فسفر در لایه ی بیرونی اش یک الکترون بیشتر از سیلیکون دارد و اگر یک اتم فسفر جانشین یک اتم سیلیکون شود ( فرآیندی که آلایش n نامیده می شود) یک الکترون آزاد به بلور اهدا می شود و در نتیجه رسانندگی ناحیه آلایش یافته افزایش می یابد.
"دستاورد قابل توجه"
در آن چه David Ferry فیزیکدان ماده چگال دانشگاه ایالتی آریزونا ی امریکا از آن به عنوان یک "دستاورد قابل توجه" یاد می کند، تیم Simmons از نوک یک میکروسکوپ کاوش اسکن برای ایجاد یک کانال در سیلیکون با حذف لایه های اتم های سیلیکون استفاده می کند. سپس این سطح در معرض گاز فسفر قرار می گیرد و به دنبالش اتم های سیلیکون نشانده می شوند. نتیجه، زنجیره ای از اتم های فسفر جاسازی شده در داخل بلور سیلیکون خواهد بود-- عملا یک سیم اتمی. این تیم دریافت که مقاوت ویژه ی این سیم ها تا مقیاس اتمی ثابت است. یعنی مقاومت چنین سیمی با طولش رابطه مستقیم دارد و با سطح مقطعش رابطه معکوس، درست همان گونه که در مورد قانون اهم انتظار می رود.
اگرچه به گفته Simmons ، تکنیک بکاررفته برای ایجاد سیم ها نمی تواند در حال حاضر در فرآیندهای صنعتی بکار رود، Ferry معتقد است که این کار از آن جهت ارزشمند است که نشان می دهد مینیاتورسازی الکترونیک کلاسیکی، می تواند برای چندین سال ادامه یابد. بگفته ی وی:"شرکت هایی همچون Itel مدتی است نگران بوده اند که ادوات ساخت آن ها چنان کوچک باشند که رفتار کوانتوم مکانیکی از خود نشان دهند." طول گیت ترانزیستورها در حدود 22 نانومتر است یعنی در حدود 100 برابر فاصله ی تک اتمهای بلورسیلیکون. Ferry می افزاید: " نگرانی که وجود دارد این است که این ادوات را تا چه اندازه بیشتر می توان کوچک کرد پیش از آن که اثرات کوانتوم مکانیکی ظاهر شود و این آزمایش حاکی از آن است که هنوز چند نسل جا دارد."
سروکار داشتن با تک تک اتم ها
اما گروه Simmons به الکترونیک متعارف علاقه مند نیست و در عوض روی توسعه کامپیوترهای کوانتومی کار می کند. این تیم امیدوار است از تک اتم های فسفر به صورت بیت های کوانتومی یا همان کیوبیت ها استفاده کند. Simmons توضیح می دهد: " ما در حال ساخت قطعات تک اتمی هستیم و برای این که قادر باشیم با تک اتم ها سروکار داشته باشیم دریافته ایم که لازم است که الکترودها را هم اندازه ی اتم ها بسازیم و این در حقیقت چیزی است که این سیم ها را برایش استفاده می کنیم."
این جاست که Ferry نه فقط درباره ی رهیافت بلکه به طور کلی در مورد محاسبه کوانتومی تردیدش زیاد می شود. او می گوید: " من یکی از به اصطلاح مخالفین در این مبحث به شمار می آیم." در واقع او حتی می گوید که دوام پدیده ی کلاسیکی در ابعاد اتمی ممکن است استفاده از اتم های فسفر را به عنوان کیوبیت مشکل کند.
با این وجود خانم Simmons خوشبین باقی می ماند. او می گوید: " پنج سال پیش موانع بسیارزیادی برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی بر پایه فسفر وجود داشت و ما ذره ذره (بیت به بیت)، بر آنها غلبه کرده ایم. در حال حاضر من حدس می زنم چالش بزرگ برای محاسبه کوانتومی ساخت یک سیستم مقیاس پذیر است. مطمئناً این سیمها برای رسیدن به آن هدف بسیار مفید خواهند بود."
سایت علمی نخبگان