تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ برابر سریعتر از مولکول‌های کربنی

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، یک تیم بین المللی از محققان، از جمله محققان مؤسسه فیزیک حالت جامد دانشگاه توکیو، به یک کشف پیشگامانه دست یافته اند. آن‌ها با موفقیت استفاده از یک مولکول منفرد به نام فولرن را به عنوان یک سوئیچ، شبیه به ترانزیستور نشان دادند. این تیم با استفاده از یک پالس لیزر دقیق کالیبره شده به این هدف دست یافتند که به آن‌ها اجازه می‌داد مسیر یک الکترون ورودی را به روشی قابل پیش بینی کنترل کنند.

فرآیند سوئیچینگ فعال شده توسط مولکول‌های فولرن می‌تواند به طور قابل توجهی سریع‌تر از سوئیچ‌های مورد استفاده در ریزتراشه‌ها باشد، با افزایش سرعت سه تا شش مرتبه بزرگ، بسته به پالس‌های لیزر مورد استفاده.

استفاده از سوئیچ‌های فولرن در شبکه می‌تواند منجر به ایجاد رایانه‌ای با قابلیت‌هایی فراتر از آنچه در حال حاضر با ترانزیستور‌های الکترونیکی قابل دستیابی است، شود.

علاوه بر این، آن‌ها پتانسیل ایجاد انقلابی در دستگاه‌های تصویربرداری میکروسکوپی را با ارائه سطوح بی سابقه وضوح دارند.

بیش از ۷۰ سال پیش، فیزیکدانان کشف کردند که مولکول‌ها در حضور میدان‌های الکتریکی، و بعدها، طول موج‌های خاصی از نور، الکترون ساطع می‌کنند. گسیل‌های الکترون الگو‌هایی را ایجاد کردند که کنجکاوی را برانگیخت، اما از توضیح گریزان بود. اما این به لطف یک تحلیل نظری جدید تغییر کرده است، که انشعاب آن نه تنها می‌تواند به کاربرد‌های جدید با فناوری پیشرفته منجر شود، بلکه توانایی ما را برای بررسی دقیق دنیای فیزیکی نیز بهبود می‌بخشد.

یک تشبیه ساده در مورد نحوه عملکرد سوئیچ فولرن مانند یک نقطه تعویض ریل قطار. پالس نور می‌تواند مسیر طی شده توسط الکترون ورودی را تغییر دهد، که در اینجا توسط یک قطار نشان داده شده است.

پژوهشگر پروژه هیروفومی یاناگیساوا و تیمش این نظریه را ارائه کردند که چگونه گسیل الکترون‌ها از مولکول‌های برانگیخته فولرن باید هنگام قرار گرفتن در معرض انواع خاصی از نور لیزر رفتار کند، و هنگام آزمایش پیش‌بینی‌های آن‌ها به درستی آن‌ها پی بردند.

یاناگیساوا می‌گوید: کاری که ما در اینجا انجام داده‌ایم کنترل روشی است که یک مولکول با استفاده از یک پالس بسیار کوتاه نور لیزر قرمز، مسیر یک الکترون ورودی را هدایت می‌کند. بسته به پالس نور، الکترون می‌تواند در مسیر پیش فرض خود باقی بماند یا به روشی قابل پیش بینی هدایت شود.

بنابراین، کمی شبیه به نقاط سوئیچینگ در مسیر قطار یا یک ترانزیستور الکترونیکی است که بسیار سریعتر است. ما فکر می‌کنیم می‌توانیم به سرعت سوئیچینگ ۱ میلیون برابر سریعتر از یک ترانزیستور کلاسیک دست پیدا کنیم؛ و این می‌تواند به عملکرد دنیای واقعی در محاسبات ترجمه شود. اما به همان اندازه مهم این است که اگر بتوانیم لیزر را به گونه‌ای تنظیم کنیم که مولکول فولرن را وادار کند تا همزمان به چندین روش سوئیچ کند، می‌تواند مانند چند ترانزیستور میکروسکوپی در یک مولکول واحد باشد. این می‌تواند پیچیدگی یک سیستم را بدون افزایش اندازه فیزیکی آن افزایش دهد.

مولکول فولرن زیرین سوئیچ مربوط به نانولوله کربنی شاید کمی معروف‌تر است، اگرچه به جای یک لوله، فولرن کره‌ای از اتم‌های کربن است. هنگامی که فولرن‌ها روی یک نقطه فلزی - اساساً انتهای یک پین - قرار می‌گیرند، جهت گیری خاصی دارند تا الکترون‌ها را به طور قابل پیش بینی هدایت کنند.

پالس‌های سریع لیزری در مقیاس فمتوثانیه، کوادریلیونم ثانیه، یا حتی آتوثانیه، کوئنتیلیونم ثانیه، بر روی مولکول‌های فولرن متمرکز می‌شوند تا باعث انتشار الکترون شوند. این اولین باری است که از نور لیزر برای کنترل انتشار الکترون از یک مولکول به این روش استفاده می‌شود.

یاناگیساوا گفت: این روش شبیه روشی است که میکروسکوپ گسیل فوتوالکترونی تصاویر را تولید می‌کند. با این حال، آن‌ها می‌توانند در بهترین حالت به وضوح حدود ۱۰ نانومتر یا ده میلیاردم متر دست یابند. سوئیچ فولرن ما این را تقویت می‌کند و به وضوح حدود ۳۰۰ پیکومتر یا سه صد تریلیونم متر اجازه می‌دهد.

در اصل، از آنجایی که چندین سوئیچ الکترونی فوق سریع را می‌توان در یک مولکول واحد ترکیب کرد، تنها به شبکه کوچکی از سوئیچ‌های فولرن نیاز است تا وظایف محاسباتی را به طور بالقوه بسیار سریعتر از ریزتراشه‌های معمولی انجام دهند. اما موانع متعددی وجود دارد که باید بر آن‌ها غلبه کرد، مانند چگونگی کوچک کردن اجزای لیزر، که برای ایجاد این نوع جدید از مدار مجتمع ضروری است.

بنابراین، ممکن است هنوز سال‌ها طول بکشد تا گوشی هوشمند مبتنی بر سوئیچ فولرن را ببینیم.