طور الفيزيائيون دائرة موصل فائق لطالما اعتقدوا أنها مستحيلة
انطباع الفنان عن شريحة فائقة التوصيل.
من خلال تبادل مادة كلاسيكية مع مادة ذات خصائص كمومية فريدة ، صنع العلماء دائرة فائقة التوصيل قادرة على تحقيق مآثر كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنها مستحيلة.
هذا الاكتشاف ، الذي قام به باحثون من ألمانيا وهولندا والولايات المتحدة ، يقلب قرنًا من التفكير حول طبيعة الدوائر فائقة التوصيل ، وكيف يمكن ترويض تياراتها واستخدامها عمليًا.
تقدم الدوائر منخفضة الهدر وعالية السرعة القائمة على فيزياء الموصلية الفائقة فرصة ذهبية لنقل تكنولوجيا الحوسبة الفائقة إلى مستوى جديد تمامًا.
لسوء الحظ ، فإن الخصائص التي تجعل هذا الشكل السهل من التيار الكهربائي سهل الاستخدام تحدث أيضًا تحديات لا نهاية لها في تصميم إصدارات فائقة التوصيل من المكونات الكهربائية الشائعة.
خذ شيئًا بسيطًا مثل الصمام الثنائي ، على سبيل المثال. تعتبر هذه الوحدة الأساسية للإلكترونيات بمثابة إشارة أحادية الاتجاه للتيارات ، مما يوفر وسيلة لتنظيم وتحويل وضبط حركات الإلكترونات.
في المواد فائقة التوصيل ، تتلاشى هوية تلك الإلكترونات الفردية ، مما يؤدي إلى وجود شركاء يُطلق عليهم أزواج كوبر ، مما يمنح كل جسيم في الشراكة القدرة على تجنب صراع التقليل من الطاقة لتيار كهربائي نموذجي.
لكن بدون قوانين المقاومة المعتادة في العمل ، لم يتمكن العلماء من جعل الإلكترونات فائقة التوصيل تسير في اتجاه واحد ، حيث أنهم دائمًا ما يُظهرون ما يسمى السلوك "المتبادل".
هذا الافتراض الأساسي - أن الموصلية الفائقة لا يمكن أن تنتهك المعاملة بالمثل (على الأقل ليس بدون التلاعب بالمجال المغناطيسي) - استمر منذ بداية الدراسة في المنطقة.
بصراحة ، إنها عقبة يمكن للمهندسين الاستغناء عنها.
يوضح الباحثون أنه "في السبعينيات ، جرب العلماء في شركة IBM فكرة الحوسبة فائقة التوصيل ولكن كان عليهم إيقاف جهودهم: في أوراقهم حول هذا الموضوع ، ذكرت شركة IBM أنه بدون الموصلية الفائقة غير التبادلية ، يكون الكمبيوتر الذي يعمل على الموصلات الفائقة أمرًا مستحيلًا". في بيان صحفي حول دراستهم الجديدة.
قد تحتاج هذه الجهود الآن إلى إعادة النظر ، في أعقاب تجربة تُظهر نوعًا من الوصلات مع مكون كمي قادر على توجيه أزواج كوبر في اتجاه واحد.
تقاطعات جوزيفسون عبارة عن شرائح رفيعة من مادة غير فائقة التوصيل تفصل بين زوج من المواد ذات الموصلات الفائقة. إذا كانت المادة رقيقة بدرجة كافية ، يمكن للإلكترونات أن تتخبط من خلالها دون أي اهتمام بالعالم.
تحت مستوى معين ، لا يوجد جهد لهذا "التيار الفائق". عند نقطة حرجة ، يظهر الجهد ، ويتأرجح بسرعة في الموجات التي يمكن استخدامها في تطبيقات مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية .
كان ضمان أن هذا التيار يسير في اتجاه واحد فقط ممكنًا في السابق عبر مجال مغناطيسي خارجي. لكن الفريق اكتشف أنه إذا استخدموا شبكة ثنائية الأبعاد تعتمد على النيوبيوم المعدني ، فيمكنهم التخلص من المجال والاعتماد فقط على الخصائص الكمومية للمادة.
"لقد تمكنا من تقشير بضع طبقات ذرية فقط من Nb 3 Br 8 وصنع شطيرة رفيعة جدًا - بسماكة بضع طبقات ذرية - والتي كانت ضرورية لصنع الصمام الثنائي Josephson ، ولم يكن ذلك ممكنًا مع الأبعاد العادية ثلاثية الأبعاد يقول الباحث الرئيسي مظهر علي ، وهو فيزيائي من جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا ، "المواد" .
الفريق واثق من أنهم قد حددوا جميع المربعات المطلوبة لتقديم حالة قوية لاكتشافهم. ومع ذلك ، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن نرى الموصلات الفائقة في قلب حوسبة الجيل التالي.
لسبب واحد ، تحدث ظاهرة الموصلية الفائقة عادةً في المواد المبردة إلى درجة أعلى بقليل من الصفر المطلق.
يمكن لبعض المواد فائقة التوصيل التعامل مع الدفء ، ولكن فقط إذا تم وضعها تحت ضغط هائل.
تعلم كيف تعمل تقاطعات جوزيفسون القائمة على هذه الحواجز الكمومية الجديدة في ظل درجات حرارة أعلى وضغوط يمكن أن يغير قواعد اللعبة في نهاية المطاف - مما يقلل من كمية المعدات اللازمة لأجهزة الكمبيوتر العملاقة الفعالة بشكل لا يصدق ، والتي لم يشهد العالم مثلها من قبل.
يقول علي: "سيؤثر هذا على جميع أنواع التطبيقات المجتمعية والتكنولوجية" .
"إذا كان القرن العشرين هو قرن أشباه الموصلات ، فإن القرن الحادي والعشرين يمكن أن يصبح قرن الموصل الفائق ."