قام فريق بحث من جامعة مينيسوتا-توين سيتيز بتصنيع فيلم فريد من نوعه من المواد شبه المعدنية الطوبولوجية لأول مرة، والذي لديه القدرة على إنتاج قوة حاسوبية وتخزين ذاكرة أكبر مع تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، قام الفريق بدراسة المادة بعناية واكتسب رؤى مهمة حول الفيزياء وراء خصائصها الفريدة.
وقد نُشر البحث مؤخراً في مجلة Nature Communications.
وكما يتبين من قانون الرقائق والعلوم الذي صدر مؤخراً في الولايات المتحدة، هناك حاجة متزايدة إلى زيادة تصنيع أشباه الموصلات ودعم البحوث المستخدمة لتطوير المواد التي تشغل الأجهزة الإلكترونية في كل مكان. في حين أن أشباه الموصلات التقليدية هي التكنولوجيا التي تقف وراء معظم رقائق الكمبيوتر اليوم، فإن العلماء والمهندسين يبحثون دائمًا عن مواد جديدة يمكنها إنتاج المزيد من الطاقة بتكلفة أقل لجعل الإلكترونيات أفضل وأصغر حجمًا وأكثر كفاءة.
إحدى المواد المرشحة لهذه الفئة الجديدة من رقائق الكمبيوتر المحسنة هي فئة من المواد الكمومية تسمى أشباه المعادن الطوبولوجية. تتصرف الإلكترونات الموجودة في هذه المواد بطرق مختلفة، مما يمنح المواد خصائص فريدة غير موجودة في العوازل والمعادن النموذجية المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية. ولذلك، يتم استكشاف هذه المواد لاستخدامها في الأجهزة الإلكترونية السبينية. تعد الأجهزة Spintronic بديلاً لأجهزة أشباه الموصلات التقليدية التي تستخدم دوران الإلكترونات بدلاً من الشحنة الكهربائية لتخزين البيانات ومعالجة المعلومات.
وفي الدراسة الجديدة، نجح فريق بحث متعدد التخصصات في جامعة مينيسوتا في تصنيع هذه المادة الرقيقة وأظهر قدرتها على الأداء العالي واستهلاك الطاقة المنخفض.
قال جيانبينج وانج، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية والأستاذ المتميز في جامعة ماكنايت وأستاذ كرسي روبرت هارتمان في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة مينيسوتا: "تُظهر هذه الدراسة لأول مرة أنه من الممكن الانتقال من عازل طوبولوجي ضعيف إلى شبه معدني طوبولوجي باستخدام استراتيجية المنشطات المغناطيسية". "نحن نبحث عن طرق لإطالة عمر الأجهزة الإلكترونية مع تقليل استهلاك الطاقة، ونحاول استخدام أساليب غير تقليدية وغير تقليدية لتحقيق هذا الهدف."
لقد ظل الباحثون يدرسون المواد الطوبولوجية لسنوات، لكن فريق جامعة مينيسوتا هو أول من استخدم عملية رش حاصلة على براءة اختراع ومتوافقة مع الصناعة لإنشاء هذا المعدن شبه المعدني في شكل غشاء رقيق. وقال وانغ إنه نظرًا لأن عمليتهم متوافقة مع الصناعة، فيمكن اعتماد هذه التكنولوجيا واستخدامها بسهولة أكبر في صنع أجهزة في العالم الحقيقي.
قال أندريه مخويان، كبير مؤلفي الدراسة وأستاذ الهندسة الكيميائية وعلوم المواد في جامعة مينيسوتا: "نستخدم الأجهزة الإلكترونية كل يوم في حياتنا، من الهواتف المحمولة إلى غسالات الأطباق إلى أفران الميكروويف. جميعها تستخدم الرقائق. كل شيء يستهلك الطاقة". "السؤال هو، كيف يمكننا تقليل استهلاك الطاقة؟ هذا البحث هو خطوة في هذا الاتجاه. نحن نعمل على تطوير فئة جديدة من المواد ذات خصائص مماثلة أو حتى أفضل، ولكن مع استهلاك أقل للطاقة."
ولأن الباحثين ابتكروا مثل هذه المادة عالية الجودة، فقد تمكنوا أيضًا من تحليل خصائصها بعناية وما يجعلها فريدة من نوعها.
قال توني لو، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية وأستاذ مشارك في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة مينيسوتا: "من وجهة نظر فيزيائية، إحدى المساهمات الرئيسية لهذا العمل هي أننا تمكنا من دراسة بعض الخصائص الأساسية لهذه المادة". "عادة، عند تطبيق مجال مغناطيسي، تزداد المقاومة الطولية للمادة، ولكن في هذه المادة الطوبولوجية المحددة، توقعنا أن المقاومة الطولية ستنخفض. وتمكنا من دعم نظريتنا ببيانات النقل المقاسة والتأكد من وجود المقاومة السلبية."
لأكثر من عقد من الزمان، تعاون لو ومخويان ووانغ في المواد الطوبولوجية للأجهزة والأنظمة الإلكترونية من الجيل التالي - وهي أبحاث لم تكن ممكنة بدون الجمع بين خبراتهم في النظرية والحساب، ونمو المواد وتوصيفها، وتصنيع الأجهزة. وقال وانغ: "إن دراسة مثل هذا الموضوع المهم والصعب لا تتطلب رؤية ملهمة فحسب، بل تتطلب أيضًا صبرًا كبيرًا ومجموعة من أعضاء الفريق المتفانين في أربعة تخصصات، مما سيجعل من الممكن نقل هذه التكنولوجيا من المختبر إلى الصناعة".