تعتبر ترانزستورات السيليكون جيدة جدًا بالفعل، ولكن مثل الكائنات الأخرى في العالم المادي، لديها بعض القيود. تخلق قوانين الفيزياء اختناقات في الأداء وكفاءة الطاقة. الآن، ربما وجد فريق من مهندسي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة لتجاوز هذه الحدود بطرق كمومية جامحة باستخدام تصميم ترانزستور جذري جديد.
المشكلة التي يريدون حلها هي ما يسمى "طغيان بولتزمان". ويشير إلى الحد الأساسي للجهد المطلوب لتبديل ترانزستور السيليكون في درجة حرارة الغرفة؛ إذا تم ضبط الجهد على مستوى منخفض جدًا، يفقد الترانزستور قدرته على التبديل. ويمنع حد الجهد المنخفض هذا إجراء تحسينات كبيرة في كفاءة استخدام الطاقة في الإلكترونيات، الأمر الذي قد يصبح مشكلة عندما تتولى تطبيقات الذكاء الاصطناعي المتعطشة للطاقة المزيد من مهام المعالجة.
أنشأ فريق البحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ترانزستورات تجريبية باستخدام مواد شبه موصلة فريدة مثل أنتيمونيد الغاليوم وزرنيخيد الإنديوم بدلاً من السيليكون التقليدي. تم نشر هذا البحث، الذي تموله شركة إنتل جزئيًا، مؤخرًا في مجلة Nature Electronics.
ومع ذلك، فإن السحر الحقيقي يكمن في تصميمه الفريد الصغير ثلاثي الأبعاد، والذي تم تصميمه باستخدام أدوات دقيقة في MIT.nano، وهي منشأة مخصصة لأبحاث مقياس النانو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يستخدم الترانزستور بنية متغايرة من الأسلاك النانوية العمودية يبلغ قطرها 6 نانومتر فقط، والذي يعتقد الباحثون أنه أصغر ترانزستور ثلاثي الأبعاد تم الإبلاغ عنه حتى الآن.
على هذا المقياس، تلعب بعض التأثيرات الكمومية دورًا، مما يسمح للترانزستورات بتجاوز القيود الفيزيائية للسيليكون. صمم العلماء الترانزستور لتحقيق النفق الكمي، حيث تمر الإلكترونات بشكل أساسي عبر حاجز عازل بدلاً من فوقه، مما يسمح للترانزستور بالعمل عند جهد أقل. هناك تأثير آخر وهو الحبس الكمي، حيث تغير الأبعاد الضيقة للأسلاك النانوية خصائص المادة.
من خلال الجمع بين هذه التأثيرات، يحقق جهاز معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شيئًا لا يستطيع السيليكون تحقيقه: تحقيق أوقات تبديل سريعة للغاية باستخدام فولتات صغيرة للغاية. أظهرت الاختبارات أن ميل جهد التبديل الخاص بها يكون أكثر انحدارًا من المنحدر المحدد لمواد السيليكون التقليدية. وفي الواقع، فإن أدائها الحالي أعلى بحوالي 20 مرة من ترانزستورات النفق التجريبية الأخرى.
وقال يانجي شاو، زميل ما بعد الدكتوراه والمؤلف الأول للمشروع: "هذه التكنولوجيا لديها القدرة على استبدال السيليكون، لذا يمكنك استخدامها للقيام بجميع الوظائف التي يقوم بها السيليكون حاليًا، ولكن مع كفاءة أكبر بكثير في استخدام الطاقة".
وبطبيعة الحال، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه من إثبات المفهوم إلى التسويق التجاري، ويعترف الفريق بذلك.
"لا يمكن للفيزياء التقليدية أن تذهب إلى أبعد من ذلك. يُظهر عمل يان جي أنه يمكننا القيام بعمل أفضل، لكن علينا استخدام فيزياء مختلفة." وقال خيسوس ديل ألامو، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية ومن قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "هناك العديد من التحديات التي يجب التغلب عليها لتسويق هذه الطريقة تجاريًا في المستقبل، ولكن من الناحية النظرية يعد هذا إنجازًا حقيقيًا".
وأشار الفريق أيضًا إلى أنهم بحاجة إلى تحسين عملية التصنيع بحيث تكون الترانزستورات النانوية أكثر تجانسًا عبر الشريحة بأكملها.
هذه ليست المرة الأولى التي يعمل فيها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تجاوز حدود قانون مور. في وقت سابق من هذا العام، أظهر علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ترانزستورًا يمكنه التشغيل والإيقاف في أجزاء من الثانية، وله متانة تصل إلى مليار دورة.