حتماً براتون پیش اومده که وقتی دارین با گوشی یا لپ‌تاپتون کارهای سنگین مثل هوش مصنوعی (AI) انجام می‌دین یا فیلم سنگین تماشا می‌کنین، دستگاهتون داغ کنه و قاطی کنه. بخش زیادی از این حرارت و مصرف انرژی عجیب و غریب، تقصیر همین مدارهای الکترونیکی فعلیه که با الکترون‌ها کار می‌کنن. اما یه خبر فوق‌العاده جالب اینکه مهندس‌های دانشگاه میشیگان اومدن یه کار خفن کردن: یه سوییچ (یا درواقع یه کلید) نانویی ساختن که می‌تونه جریان اگزیتون‌ها رو کنترل کنه.
حالا اگزیتون چیه؟ اگزیتون یه جور حالت کوانتومی باحاله که وقتی نور به یه نیمه‌رسانا (مثل چیزی که توی تراشه‌هاست) می‌تابه و یه الکترون برانگیخته میشه، ایجاد میشه. این الکترون یه جاش رو خالی می‌کنه و یه “حفره مثبت” به جا می‌ذاره. این دو تا—الکترون و حفره—مثل یه زوج کنار هم حرکت می‌کنن. جالبیش اینه که اگزیتون بار نداره و فقط یه انرژی خفن با خودش حمل می‌کنه.
بزرگ‌ترین مزیتش اینه که چون الکترون با خودش بار می‌بره و جریان ایجاد می‌کنه، معمولاً تو مدارها یه عالمه انرژی از دست می‌ره و حسابی داغ می‌کنه. ولی اگزیتون هیچ باری نداره پس بدون هدر رفت انرژی می‌تونه انرژی رو جابه‌جا کنه! یعنی اگه بتونیم مدارها رو با اگزیتون بسازیم، دیگه خبری از داغ شدن دستگاه و مصرف الکی انرژی نیست!
نکته جالب دیگه اینه که ما قبلاً هم از اگزیتون تو کارهای زیادی استفاده می‌کردیم. مثلاً توی سلول‌های خورشیدی یا نمایشگرهای OLED گوشی‌ها و حتی توی فتوسنتز گیاه‌ها! تو فتوسنتز، گیاه نور رو می‌گیره، تبدیلش می‌کنه به اگزیتون و بعد اون بسته انرژی کوانتومی رو می‌فرسته سراغ جایی که باید به انرژی شیمیایی تبدیلش کنه.
مشکل اینجا بود که اگزیتون‌ها چون بار ندارن، بازم به راحتی نمی‌شد هدایتشون کرد. برخلاف الکترون‌ها که با یه میدان برقیشون می‌کنی، اگزیتون اصلاً محل نمی‌ذاره! واسه همین هم مدار باهاش درست کردن سخت شده بود…
اینجا بود که مهندسای دانشگاه میشیگان یه ایده توپ زدند! اونا یه جور برجستگی ریز یا “ridge” روی ماده ساختن که مثل سیم‌کشی برای اگزیتون‌ها عمل می‌کنه. بعد هم دو طرف این برجستگی، الکترود گذاشتن که بتونه به عنوان یه سد انرژی (یا گیت—که توی ترانزیستورها زیاده) عمل کنه. وقتی به این سد ولتاژ وارد کنن، اگزیتون دیگه نمی‌تونه حرکت کنه و گیر می‌افته. وقتی ولتاژ برداشته شه، دوباره راهش باز میشه. دقیقاً مثل یه کلید خاموش و روشن برای جریان اگزیتون‌ها! تا حالا همچین چیزی سابقه نداشته.
یکی از محقق‌ها به اسم ژائوهان جیانگ—که دانشجوی دکتریه—گفته این سوییچ نانویی تازه به همچین چیزی ممکن کرده. توی آزمایشاشون تونستن نسبت خاموش/روشن بالای ۱۹ دسی‌بل (که این عدد یعنی اختلاف انرژی خیلی خوبه) ثبت کنن، که برای کلی کاربرد نوری-الکترونیکی پیشرفته یعنی رویا شده واقعی!
یه کار دیگه که کردن، این بود که اگزیتون‌ها رو با نور هل دادن توی این ریدج تا یه اپتو-اگزیتونیک سوییچ بسازن. (اپتو-اگزیتونیک یعنی ترکیب کار با نور و اگزیتون‌ها). توی آزمایش، اگزیتون‌ها رو با سرعت باورنکردنی (۴ میکرومتر در کمتر از نیم نانوثانیه!) هدایت کردن و این همه تو دمای اتاق بوده؛ یعنی نیازی به یخچال و سرمای خاص نیست.
آینده‌اش چی میشه؟ استادها می‌گن اولین استفاده جدی از این فناوری شاید ارتباط بین مدارات فوتونیکی (سیستم‌هایی که با نور کار می‌کنن) و الکترونیکی باشه. این می‌تونه پردازش و انتقال داده رو شدیداً سریع‌تر و خنک‌تر بکنه. تصور کنین سوپرکامپیوترها، گوشی‌ها، مراکز داده یا حتی اتومبیل‌های خودران و دستگاه‌های هوشمند آینده، دیگه با انرژی خفن کم و حرارت پایین، اطلاعات رو رد و بدل کنن!
تیم تحقیقاتی برای این اختراع سنگین، حمایت مالی رو از ارتش آمریکا و نیروی هوایی گرفتند. دارن برای ثبت اختراع (پتنت) هم اقدام می‌کنن و مرحله بعدشون اینه که صدها تا از این سوییچ‌های اگزیتونی رو به هم وصل کنن و یه مدار بزرگ‌تر بسازن.
اگه موفق شن، شاید واقعاً وارد دورانی بشیم که مدارها به جای الکترون، با اگزیتون کار می‌کنن و دیگه باتریا یا وسایل خنک‌کننده لازم نداریم! خلاصه یعنی سرعت بیشتر، مصرف انرژی کمتر، و دنیای کامپیوتر خنک‌تر و دوست‌داشتنی‌تر!
نتیجه این تحقیق رو هم توی ژورنال ACS Nano منتشر کردن که آدمای علاقه‌مند به فیزیک و مهندسی می‌تونن بیشتر بخونن.
منبع: +
