پژوهشگران دانشگاه میشیگان موفق به ساخت دستگاهی شدهاند که بدون نیاز به میدان الکتریکی یا منبع تغذیه، تنها با استفاده از نور، جریان الکترونها را در یک نیمهرسانا هدایت میکند. این فناوری که «فانوس دریایی الکترونی» نام گرفته، میتواند افقهای تازهای در توسعه رایانش کوانتومی، مخابرات و حسگرهای فوقدقیق بگشاید.
به گزارش سیناپرس، گروهی از فیزیکدانان دانشگاه میشیگان (University of Michigan) در پژوهشی نوآورانه موفق شدند دستگاهی بسازند که با بهرهگیری از دو پرتو لیزر و بدون اعمال هیچگونه ولتاژ الکتریکی، مسیر حرکت الکترونها را کنترل میکند. نتایج این تحقیق در نشریه معتبر Physical Review Letters منتشر شده است.
در سامانههای الکترونیکی رایج، حرکت الکترونها با اعمال میدان الکتریکی انجام میشود؛ اما در فناوری جدید، نور بهتنهایی وظیفه هدایت الکترونها را بر عهده دارد. پژوهشگران این پدیده را به عملکرد یک فانوس دریایی تشبیه کردهاند که به جای هدایت نور، پرتوهایی از الکترونها را به سمت دلخواه هدایت میکند.
هدایت الکترونها با رنگهای مختلف نور
در این آزمایش، پژوهشگران از دو پرتو لیزر در محدوده فروسرخ با طول موجهای متفاوت استفاده کردند. ترکیب این دو پرتو باعث شد الکترونها درون یک نیمهرسانا در جهتی مشخص حرکت کنند، بدون آنکه میدان الکتریکی خارجی به دستگاه اعمال شود.
استیون کاندیف، استاد فیزیک دانشگاه میشیگان و سرپرست این پژوهش، میگوید: در شرایط معمول، الکترونها به دلیل وجود میدان الکتریکی در مواد حرکت میکنند، اما در این فناوری، نور مستقیماً الکترونها را در جهت دلخواه به حرکت درمیآورد؛ اتفاقی که با شیوههای متداول کاملاً متفاوت است.
جریان بالستیک؛ حرکت مستقیم الکترونها
به گفته پژوهشگران، جریان ایجادشده از نوع بالستیک (Ballistic Current) است. در این حالت، الکترونها تقریباً بدون برخورد با ناخالصیها یا نقصهای موجود در ماده، در امتداد مسیر اولیه خود حرکت میکنند.این ویژگی با جریانهای الکتریکی متداول تفاوت اساسی دارد؛ زیرا در مدارهای معمولی، الکترونها دائماً با اتمها و نقصهای ساختاری برخورد کرده و مسیرشان بهطور مداوم تغییر میکند.
مبنای این فناوری، پدیدهای موسوم به تداخل کوانتومی که یکی از مهمترین ویژگیهای مکانیک کوانتومی است.در دنیای زیراتمی، ذراتی مانند الکترونها رفتار موجی نیز دارند. هنگامی که این امواج با یکدیگر تداخل میکنند، میتوانند یکدیگر را تقویت یا تضعیف کنند. پژوهشگران با تنظیم دقیق ویژگیهای نور لیزر، از این پدیده برای تعیین جهت حرکت الکترونها استفاده کردهاند.
جالب آنکه تغییر جهت این «پرتو الکترونی» نه با جابهجایی دستگاه، بلکه تنها با تغییر قطبش (Polarization) نور لیزر انجام میشود؛ یعنی تغییر جهت نوسان امواج نوری، مسیر حرکت الکترونها را نیز تغییر میدهد.
گامی به سوی فناوریهای کوانتومی آینده
این دستاورد علاوه بر تأیید یکی از پیشبینیهای نظری مطرحشده در سالهای گذشته، میتواند کاربردهای گستردهای در فناوریهای آینده داشته باشد.
پژوهشگران معتقدند: این روش میتواند به شناخت بهتر هندسه کوانتومی مواد کمک کند؛ ویژگیای که رفتار بنیادی مواد را تعیین میکند و در طراحی نسل آینده قطعات الکترونیکی اهمیت فراوانی دارد.همچنین این فناوری میتواند زمینهساز پیشرفت در حوزههایی مانند رایانش کوانتومی، ارتباطات نوری، مخابرات پرسرعت، تصویربرداری پیشرفته و حسگرهای کوانتومی فوقدقیق شود.
به گفته محققان، اگرچه این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد، اما نشان میدهد در آینده میتوان جریان الکترونها را تنها با نور و بدون نیاز به مدارهای الکتریکی متداول کنترل کرد؛ دستاوردی که میتواند مسیر طراحی نسل جدید تجهیزات الکترونیکی و سامانههای کوانتومی را متحول کند.
مترجم:سروش ساده