العلماء يصنعون أول “أشباه الموصلات الكمومية” في العالم

أجهزة أشباه الموصلات هي مكونات صغيرة تتحكم في حركة الإلكترونات في الأجهزة الإلكترونية المعاصرة.

وهي ضرورية لتشغيل مجموعة واسعة من المنتجات عالية التقنية، بما في ذلك الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة استشعار المركبات، بالإضافة إلى الأجهزة الطبية المتطورة، ومع ذلك، فإن وجود شوائب مادية أو تغيرات في درجة الحرارة يمكن أن تتداخل مع تدفق الإلكترونات، مما يسبب عدم الاستقرار.

لكن الآن، قام فيزيائيون نظريون وتجريبيون من مجموعة التميز فورتسبورج-دريسدن ct.qmat – التعقيد والطوبولوجيا في المادة الكمومية بتطوير جهاز شبه موصل من الألومنيوم وزرنيخيد الغاليوم (AlGaAs) يتم حماية تدفق الإلكترون لهذا الجهاز، والذي عادة ما يكون عرضة للتداخل، من خلال ظاهرة الكم الطوبولوجية.

تم مؤخرًا تفصيل هذا البحث الرائد في مجلة Nature Physics المرموقة .

يوضح البروفيسور جيروين فان دن برينك، مدير معهد فيزياء الحالة الصلبة النظرية في معهد لايبنتس لأبحاث الحالة الصلبة والمواد في ألمانيا، وباحث رئيسي في ct.qmat “بفضل تأثير الجلد الطوبولوجي، فإن جميع التيارات بين نقاط الاتصال المختلفة على أشباه الموصلات الكمومية لا تتأثر بالشوائب أو الاضطرابات الخارجية الأخرى، وهذا يجعل الأجهزة الطوبولوجية جذابة بشكل متزايد لصناعة أشباه الموصلات”.

هذه المواد تلغي الحاجة إلى مستويات عالية للغاية من نقاء المواد التي تؤدي حاليًا إلى ارتفاع تكاليف تصنيع الإلكترونيات.

تعتبر المواد الكمومية الطوبولوجية، المعروفة بمتانتها الاستثنائية، مناسبة بشكل مثالي للتطبيقات كثيفة الاستهلاك للطاقة، “إن أشباه الموصلات الكمومية لدينا مستقرة ولكنها دقيقة للغاية – وهو مزيج نادر، وهذا يضع جهازنا الطوبولوجي كخيار جديد ومثير في هندسة أجهزة الاستشعار.

قوية للغاية ودقيقة للغاية

يؤدي استخدام تأثير الجلد الطوبولوجي إلى تمكين أنواع جديدة من الأجهزة الكمومية الإلكترونية عالية الأداء والتي يمكن أن تكون أيضًا صغيرة بشكل لا يصدق.

يكشف فان دن برينك: “يبلغ قطر جهازنا الكمي الطوبولوجي حوالي 0.1 ملليمتر، ويمكن تصغيره إلى أبعد من ذلك بسهولة”، الجانب الرائد لهذا الإنجاز الذي حققه فريق الفيزيائيين من دريسدن وفورتسبورغ هو أنهم كانوا أول من أدرك تأثير الجلد الطوبولوجي على نطاق مجهري في مادة شبه موصلة.

وقد تم إثبات هذه الظاهرة الكمومية في البداية على المستوى العياني قبل ثلاث سنوات، ولكن فقط في مادة اصطناعية، وليس طبيعية، لذلك، هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تطوير جهاز كمي طوبولوجي صغير يعتمد على أشباه الموصلات، وهو قوي للغاية وفائق الحساسية.

يوضح فان دن برينك: “في أجهزتنا الكمومية، العلاقة بين التيار والجهد محمية بتأثير الجلد الطوبولوجي لأن الإلكترونات محصورة في الحافة، “حتى في حالة وجود شوائب في مادة أشباه الموصلات، يظل تدفق التيار مستقرًا”.

ويتابع: «علاوة على ذلك، يمكن لجهات الاتصال اكتشاف حتى أدنى التقلبات في التيار أو الجهد، وهذا يجعل الجهاز الكمي الطوبولوجي مناسبًا بشكل استثنائي لصنع أجهزة استشعار ومكبرات صوت عالية الدقة بأقطار صغيرة.

التجريب المبتكر يؤدي إلى الاكتشاف

تم تحقيق النجاح من خلال الترتيب الإبداعي للمواد والاتصالات على جهاز AlGaAs لأشباه الموصلات، مما أدى إلى إحداث التأثير الطوبولوجي في ظل ظروف شديدة البرودة ومجال مغناطيسي قوي.

يوضح فان دن برينك: “لقد نجحنا بالفعل في إخراج تأثير الجلد الطوبولوجي من الجهاز”، استخدم فريق الفيزياء هيكلًا ثنائي الأبعاد لأشباه الموصلات، تم ترتيب نقاط الاتصال بحيث يمكن قياس المقاومة الكهربائية عند حواف الاتصال، مما يكشف بشكل مباشر عن التأثير الطوبولوجي.

البحوث المتحدة في مواقع مختلفة

منذ عام 2019، تقوم ct.qmat بالتحقيق في المواد الكمومية الطوبولوجية في فورتسبورج ودريسدن، واستكشاف سلوكها الاستثنائي في ظل الظروف القاسية مثل درجات الحرارة المنخفضة للغاية، أو الضغوط العالية، أو المجالات المغناطيسية القوية.

والاختراق الأخير هو أيضًا نتيجة للتعاون المستمر بين العلماء في موقعي المجموعة. كان الجهاز الكمي الجديد، الذي تم تصميمه في IFW، عبارة عن جهد مشترك شارك فيه علماء فيزياء نظرية من جامعة فورتسبورغ بالإضافة إلى باحثين نظريين وتجريبيين في دريسدن.

وبعد إنتاجه في فرنسا تم اختباره في مدينة دريسدن، والآن يكرس جيروين فان دن برينك وزملاؤه جهودهم لمواصلة استكشاف هذه الظاهرة، بهدف الاستفادة منها في الابتكارات التكنولوجية المستقبلية.