دستاورد فیزیکدان ایرانی در طراحی رایانه‌ها با کمک نور

دستاورد محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) آمریکا به همراه تیمی از دانشمندان موسسه کوانتوم مشترک مریلند (JQI) و به سرپرستی محمد حافظی، می‌تواند به طراحان رایانه در استفاده از نور به جای الکتریسیته برای حمل اطلاعات در مدارهای رایانه‌ای کمک کند و این موفقیت به ارتقای قابل‌توجه کارایی این ابزار خواهد انجامید.

اثر کوانتومی «هال» زمانی مشاهده می‌شود که یک میدان مغناطیسی قائم بر یک سیم مسطح حاوی الکترون وجود دارد و میدان الکترون‌ها را به یک سمت سیم متمایل می‌کند، بنابراین جریان آن‌ها در طول لبه آن متمرکز می‌شود.

اثر کوانتومی هال پیش‌تر با هدف ایجاد استانداردهای بهتر برای هدایت الکتریکی اعمال شده است، اما مطالعه این اثر مشکل بوده زیرا شرایط آزمایشگاهی مطلوب شامل دماهای بی‌نهایت پایین و نمونه‌موردی‌های دارای خالص‌بودن استثنائی است.

تیم علمی حاضر در این پروژه در سال 2011 نظریه‌ای ارائه داد مبنی بر ساخت سیستم مدلی که در آن ذرات نور هنگام قرارگرفتن در معرض اثر کوانتومی هال، دقیقا مانند الکترون‌ها رفتار می‌کنند.

محمد حافظی، فیزیکدان موسسه NIST و همکارانش می‌دانستند که ساخت مدلی مشابه که از فوتون‌ها استفاده می‌کند، دارای فواید فراوانی است، زیرا نور می‌تواند اطلاعات بیشتری را در مقایسه با الکتریسیته حمل کند و کارکردن با یک سیستم فوتون‌محور می‌تواند در طراحی اجزای رایانه‌ای که از نور استفاده می‌کنند، کارآمد باشد.

این تیم علمی به منظور آزمودن نظریه خود، آرایه‌ای از حلقه‌های سیلیکونی تقریبا مسطح را بر روی یک سطح اکسید ساختند.

تاباندن فوتون‌های دارای طول موج مناسب به یکی از حلقه‌ها موجب می‌شود این فوتون‌ها به دفعات فراوان در اطراف این حلقه قرار بگیرند.

این حلقه‌ها که به مسیرهای دومیدانی با عرض 25 میکرومتر شباهت دارند، حدود 150 نانومتر از یکدیگر فاصله دارند و این مسافت به اندازه‌ای کافی است که یک فوتون در یک حلقه می‌تواند بر روی فوتون مجاور بپرد.

در صورت نقص یک حلقه که در فرآیندهای ساخت می‌تواند رخ دهد، فوتون به جای آن، به حلقه دیگری می‌جهد، اما در نهایت مسیر خود را به سمت لبه آرایه می‌یابد و در آن‌جا به طی مسیر ادامه می‌دهد.

بنابراین، این ابزار حتی چنانچه تعدادی از حلقه‌ها کار نکنند، فوتون‌ها را از یک مکان به مکان دیگر منتقل می‌کند و این نکته کلیدی برای تولیدکنندگانی است که خواهان داشتن ابزارهایی هستند که حتی در صورت داشتن نقص فیزیکی نیز عمل کنند.

به گفته حافظی، این حلقه‌ها، فوتون‌ها را به حرکت در طول لبه آرایه بجای خلال آن (درست مانند رفتاری که الکترون‌های تجربه‌کننده اثر کوانتومی در یک رسانا انجام می‌دهند) ترغیب می‌کنند و راز عملکرد این سیستم در آرایه حلقه‌ها و اثر ویژه آن بر فوتون‌ها نهفته است.

دانشمندان اکنون دارای ابزار سیلیکونی محکمی هستند که می‌تواند فوتون‌ها را در دمای اتاق انتقال دهد و امیدوارند موفقیتشان برای مطالعات فیزیک و طراحی اجزای عملی کارآمد باشد.