تكنولوجيا

تكنولوجيا الموصلات الفائقة الجديدة تأخذ البيانات إلى ما وراء الآحاد والأصفار

مجردة مفهوم دوران اللون

تمثل الأضواء الساطعة الدوارة مفهوم الدوران.

يضيف استغلال دوران الإلكترون بُعدًا جديدًا لترميز البيانات.

تذكر الهواتف الوجه؟ قد تبدو هواتفنا الذكية في يوم من الأيام وكأنها عفا عليها الزمن بفضل الإلكترونيات السفلية ، وهي مجال بحثي ناشئ يعد بإحداث ثورة في الطريقة التي ترسل بها أجهزتنا الإلكترونية الإشارات وتستقبلها.

في معظم التقنيات الحالية ، يتم ترميز البيانات على أنها صفر أو واحد ، اعتمادًا على عدد الإلكترونات التي تصل إلى مكثف. باستخدام spintronics ، يتم أيضًا نقل البيانات اعتمادًا على اتجاه دوران هذه الإلكترونات.

في دراسة جديدة نُشرت هذا الأسبوع في Proceedings of the National Academy of Sciences ، أبلغ فريق من جامعة Duke وباحثين من معهد Weizmann بقيادة أستاذ الكيمياء في Duke Michael Therien عن مفتاح إنجاز في هذا المجال: تطوير نظام يتحكم في دوران الإلكترون وينقل تيار الدوران لمسافات طويلة ، دون الحاجة إلى درجات الحرارة شديدة البرودة التي تتطلبها موصلات الدوران النموذجية.

قال تشيه هونغ كو ، المؤلف الأول للورقة البحثية وحديث الدكتوراه في الكيمياء من جامعة ديوك: “الهياكل التي نقدمها هنا مثيرة لأنها تحدد استراتيجيات جديدة لتوليد تيارات دوران كبيرة السعة في درجة حرارة الغرفة”.

الإلكترونات مثل القمم الدوارة. تدور الإلكترونات التي تدور في اتجاه عقارب الساعة وتدور الإلكترونات التي تدور في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة. يمكن أن تحتل الإلكترونات ذات السبينات المعاكسة نفس الحجم ، لكن الإلكترونات التي تدور في نفس الاتجاه تتنافر ، مثل المغناطيسات ذات القطبية نفسها.

من خلال التحكم في كيفية دوران الإلكترونات على طول التيار ، يمكن للعلماء ترميز طبقة جديدة من المعلومات في إشارة كهربائية.

بدلاً من مجرد تشغيل المكثفات وإيقافها بطريقة ثنائية ، يمكن للأجهزة السبينترونية أيضًا إرسال إشارات بناءً على دوران الإلكترون ، حيث يمكن أن يعني الدوران لأعلى شيئًا مختلفًا عن التدوير لأسفل.

قال David Beratan ، أستاذ الكيمياء والفيزياء في Duke والمؤلف المشارك للمقال: “نظرًا لأن الدوران يمكن أن يكون لأعلى أو لأسفل ، فهي معلومات ثنائية لا يتم حصادها في الأجهزة الإلكترونية التقليدية”.

تفرز الجزيئات اللولبية لفات الإلكترون

يستخدم الموصل الفائق الجزيئي الجديد جزيئات مراوان خاصة أعسر أو يمين لتصفية الإلكترونات ونقل التيارات الدورانية على مسافات طويلة وفي درجة حرارة الغرفة. الائتمان: كو وآخرون. 4 فبراير 2022

تتكون تيارات الجهاز العادية من عدد متساوٍ من إلكترونات الدوران واللف. في درجة حرارة الغرفة ، من الصعب توليد تيار يتكون إلى حد كبير من دورة واحدة. تنقلب المنعطفات ، وتنهار فوق بعضها البعض ، وتتفكك وتشوه الإشارة مثل لعبة هاتفية سيئة.

طور Therien وفريقه الآن استراتيجية لبناء موصلات جزيئية تحافظ على الإلكترونات في خط واحد ، مما يضمن دورانها جميعًا في تناغم ونشر اتجاه الدوران على مسافات طويلة ، مما يسمح بنقل الإشارات بدقة عالية ، في درجة حرارة الغرفة.

قال بيراتان: “كل هذا يتوقف على استمرار هذا الاستقطاب المغزلي”. “تتدافع هذه السبينات ، وتتفاعل مع الجزيئات المحيطة ، مع أي شيء قد يكون قريبًا ، ويمكن أن يقضي عليها. هنا ، يستمر اتجاه دورانها لفترات طويلة ومسافات طويلة. يبقون على الإنترنت.

يمكن تصفية الإلكترونات التي تدور في الاتجاه الخاطئ من نظام باستخدام فئة خاصة من الجزيئات تسمى الجزيئات اللولبية.

الجزيئات اللولبية هي جزيئات تتميز بجوانبها الجانبية. مثل أيدينا اليمنى واليسرى ، هذه الجزيئات هي صور معكوسة لبعضها البعض. يمكن أن تكون أعسر أو أيمن ، وتعمل جانبها كمرشح لدوران الإلكترونات. تمامًا كما سيتم طردك من جهاز الجري إذا توقفت عن السير في الاتجاه الصحيح ، يتم تصفية الإلكترونات التي تدور في اتجاه معاكس لاتجاه الجزيء.

كان Thérien وفريقه قد طوروا سابقًا هياكل تسمى الخيوط الجزيئية – جزيئات متشابكة معًا مثل الخيوط ، والتي يمكنها بسهولة نشر الشحنات الكهربائية. في هذه الدراسة الجديدة ، تلاعب الفريق بهذه الأسلاك الجزيئية وأضف العناصر اللولبية ، وحصل على نظام لا ينقل الشحنات بمقاومة منخفضة جدًا فحسب ، بل ينقل أيضًا الشحنات بنفس الدوران ، عن طريق إجبار جميع الإلكترونات على الدوران بنفس الطريقة.

قال تيرين: “لقد قمنا بدمج وظائف انتشار الشحنة واستقطاب الدوران في نفس السلك الجزيئي لأول مرة”.

قال رون نعمان ، الأستاذ في معهد وايزمان الذي بنى مختبره أجهزة تعتمد على جزيئات Therien ، إن النقل الانتقائي الدوراني الذي تتيحه هذه الأنظمة يحمل إمكانات هائلة لتشفير ونقل المعلومات.

حقيقة أن هذه الأسلاك الجزيئية تنقل السبينات في درجة حرارة الغرفة تجعلها واعدة لتطوير تقنيات جديدة.

قال تيرين: “النقل الانتقائي للدوران في درجة حرارة الغرفة لمسافات طويلة دون تحول طوري يفتح فرصًا لمجموعة واسعة من الأجهزة وقد يكون مهمًا لعلم المعلومات الكمومية”.

قال بيراتان: “إن الاضطرار إلى تبريد جهاز الكمبيوتر الخاص بك باستخدام النيتروجين السائل لن يكون عمليًا للغاية”. “إذا تمكنا من التعامل مع السبينات بكفاءة في درجة حرارة الغرفة ، فسيكون ذلك حقًا تقدمًا كبيرًا في تطبيقها العملي.”

المرجع: “الأسلاك الملتوية الجزيئية تستقطب التيارات الدوارة في درجة حرارة الغرفة” بقلم تشيه هونغ كو ، وكيرونج تشو ، وفرانشيسكو تاسيناري ، وجورج بولارد ، وبينج زانج ، وديفيد إن. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
DOI: 10.1073 / pnas.2116180119

تم توفير التمويل لهذه الدراسة من قبل مركز تجميع التماسك الكمي (CHE-1925690) و BSF-NSF (2015689) ومؤسسة Minerva. CH.K. حصل على منحة من برنامج الدراسات العليا في علم النانو في جامعة ديوك. حصل GB على جائزة John T. Chambers Scholars من معهد Fitzpatrick للضوئيات بجامعة Duke. حصلت MJT على زمالة مؤسسة John Simon Guggenheim Memorial Foundation.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button