سرعت ۴۰۰ برابری رایانه‌ها با اولین ابررسانای یک طرفه جهان

به گزارش ایسنا و به نقل از آی‌ای، برای اولین بار در جهان، گروهی از محققان از دانشگاه فناوری “دلفت”(Delft) در هلند، یک ابررسانای یک طرفه با مقاومت صفر ساخته‌اند که هر جریانی را که در جهت مخالف می‌آید، مسدود می‌کند.

این کشف می‌تواند صرفه‌جویی زیادی در مصرف انرژی داشته باشد و در عین حال رایانه‌ها را تا ۴۰۰ برابر سریع‌تر کند.

“مظهر علی” دانشیار دانشگاه “دلفت” و از محققان این پروژه می‌گوید که چگونه کار آنها بر روی دیودهای ابررسانا می‌تواند حوزه محاسبات را متحول کند.

ابررساناها این پتانسیل را دارند که همزمان با حذف تلفات انرژی، دستگاه‌های الکترونیکی را صدها برابر سریع‌تر کنند. با این حال همواره استفاده از میدان‌های مغناطیسی برای جلوگیری از رسانایی آنها در همه جهات مورد نیاز بوده است. این بدان معنی است که آنها تاکنون برای محاسبات کلاسیک کاربردی نبوده‌اند.

اکنون محققان دانشگاه “دلفت” یک روش جایگزین برای کنترل جهت جریان در یک ابررسانا بدون نیاز به آهن‌ربا ارائه کرده است. آنها از یک ماده کوانتومی جدید به نام “Nb۳Br۸” استفاده کردند که توسط یک تیم فیزیک مواد در دانشگاه “جانز هاپکینز” توسعه یافته است. به شکل مشابه با گرافن، این ماده نیز از نظر اتمی نازک است و نکته بسیار مهم این است که این ماده دارای دوقطبی الکتریکی خاص خود است.

قرن ابررسانا

این تیم به اصطلاح “مواد کوانتومی اتصالات جوزفسون” را با دو ابررسانا که توسط لایه‌ای از “Nb۳Br۸” از هم جدا شده بودند، ایجاد کردند.

“علی” می‌گوید: ما توانستیم فقط چند لایه اتمی از “Nb۳Br۸” را جدا کنیم و یک ساندویچ بسیار بسیار نازک با ضخامت چند لایه اتمی بسازیم که برای ساخت دیود جوزفسون مورد نیاز بود، کاری که با مواد سه بعدی معمولی ممکن نبود.

وی افزود: بسیاری از فناوری‌ها به عنوان مثال، فناوری ام‌آرآی(MRI) بر اساس نسخه‌های قدیمی ابررساناهای اتصالات جوزفسون(JJ) هستند. همچنین، محاسبات کوانتومی امروزی بر پایه اتصالات جوزفسون هستند. این فناوری که تاکنون فقط با استفاده از نیمه هادی‌ها امکان‌پذیر بود، اکنون می‌تواند با ابررساناهایی که از این ماده جدید استفاده می‌کنند، ساخته شود.

وی ادامه داد: این شامل رایانه‌های سریع‌تر نیز می‌شود، مانند رایانه‌هایی با سرعت چند تراهرتز که ۳۰۰ تا ۴۰۰ برابر سریع‌تر از رایانه‌هایی است که اکنون از آنها استفاده می‌کنیم. این فناوری روی همه کاربردهای اجتماعی و فناورانه تأثیر می‌گذارد.

وی افزود: اگر قرن بیستم قرن نیمه‌رساناها بود، قرن بیست و یکم می‌تواند قرن ابررسانا نام بگیرد.

“اثر جوزفسون” نوعی ابرجریان(جریانی که تا ابد و بدون هیچ گونه ولتاژ اعمال شده‌ای جریان می‌یابد) است که در دستگاه معروف به اتصال جوزفسون(JJ) جریان دارد. این دستگاه از دو یا چند ابررسانا با یک پیوند ضعیف تشکیل شده ‌است. پیوند ضعیف می‌تواند از یک مانع عایق نازک(معروف به اتصالات ابررسانا-عایق – ابررسانا یا SIS) ، یک برش نازک از فلز غیر ابررسانا(SNS) یا یک محدودیت فیزیکی باشد که باعث می‌شود ابررسانایی در نقطه تماس تضعیف شود.

اثر جوزفسون نمونه‌ای از پدیده‌های کوانتومی ماکروسکوپی است. این اثر به افتخار نام فیزیکدان انگلیسی “برایان دیوید جوزفسون” که در سال ۱۹۶۲ روابط ریاضی را برای جریان و ولتاژ موجود در پیوند ضعیف پیش‌بینی کرد، نام‌گذاری شده‌ است.

اثر جوزفسون در آزمایشات قبل از ۱۹۶۲ دیده شده بود، اما به نواقص موجود در مانع عایق نسبت داده شده بود که ضخامت بسیار کمی داشت و موجب اتصال ابررساناها می‌شد. قبل از پیش بینی جوزفسون، فقط معلوم بود که الکترون‌های عادی(یعنی غیر ابررسانایی) با استفاده از “تونل کوانتومی” می‌توانند از مانع عایق عبور کنند. “جوزفسون” اولین کسی بود که تونل زدن جفت‌های ابررسانایی کوپر را پیش‌بینی کرد. برای این کار، جوزفسون در سال ۱۹۷۳ جایزه نوبل فیزیک را دریافت نمود. 

اتصالات جوزفسون کاربردهای مهمی در مدارهای مکانیکی کوانتومی مانند کیوبیت‌های ابررسانایی و الکترونیک دیجیتال  دارد.

“اتصال جوزفسون” یک وسیله مکانیکی کوانتومی است که از دو الکترود ابررسانا ساخته شده است که توسط یک مانع(سد تونل عایق نازک، فلز معمولی، نیمه هادی، فرومغناطیس و غیره) از هم جدا شده است.

دانشمندان دستگاه‌های مختلفی را برای آزمایش ابررسانای اتصالات جوزفسون خود ساختند و هر بار دریافتند که یک جریان یک طرفه‌ی قوی را بدون استفاده از میدان مغناطیسی هدایت می‌کند.

با این حال، یکی از موانعی که محققان باید بر آن غلبه کنند، مسئله قابلیت استفاده از این فناوری در دمای اتاق است. آزمایش‌ها تاکنون در دمای بسیار سرد زیر ۷۷ کلوین(منفی ۱۹۶درجه سانتیگراد یا منفی ۳۲۱ درجه فارنهایت) انجام شده است.

اگر تیم دانشگاه “دلفت” بتواند دریابد که چگونه ابررسانای JJ را در دمای معمولی استفاده کند، چیزی که “علی” می‌گوید با “ابررساناهای شناخته شده High Tc” امکان‌پذیر است، آنگاه به مرحله بعدی، یعنی بررسی اینکه آیا می‌تواند برای تولید انبوه مقیاس‌بندی شود، بسیار نزدیک‌تر خواهند شد.

محققان دانشگاه “دلفت” بر این باورند که ابررساناهای آنها به بهترین وجه در محاسبات متمرکز و ابررایانه‌ها قابل استفاده است و آنها با کمترین هزینه به بیشترین تعداد افراد کمک می‌کنند.

“علی” می‌گوید: زیرساخت‌های موجود را می‌توان بدون هزینه زیاد برای کار با الکترونیک مبتنی بر دیود جوزفسون تطبیق داد و اگر بر چالش‌های مطرح شده غلبه شود، یک شانس بسیار واقعی وجود دارد که این امر، محاسبات متمرکز و ابررایانه‌ها را متحول کند.

این تحقیق جدید خود در مجله Nature منتشر شده است.

انتهای پیام