نقاط کوانتومی جایگزین ترانزیستورها در محاسبات آینده می شوند
به گزارش فیکس سرور، پژوهشگران آمریکایی برای عملکرد سریع تر در دمای اتاق و غلبه بر محدودیت های ترانزیستور پیشنهاد کرده اند که مولکول های ظرفیت مخلوط در دستگاههای مبتنی بر نقاط کوانتومی مورد استفاده قرار بگیرند.
به گزارش فیکس سرور به نقل از ایسنا و به نقل از ادونسد ساینس نیوز، دانشمندان کوشش می کنند یک رویکرد جایگزین را برای محاسبات در پیش بگیرند و ترانزیستورهای معمولی را با مولکول های ظرفیت مختلط جایگزین کنند تا ماشین های سلولی بر پایه نقطه کوانتومی بسازند.
پژوهشگران در توضیح پروژه خود نوشتند: این یک الگوی محاسباتی کلاسیک کم مصرف است. مولکول های ظرفیت مختلط امکان دارد دستگاههای محاسباتی را در مقیاس نانومتر عرضه کنند که از سرعت تغییر تراهرتز در مقایسه با گیگاهرتز کنونی در پردازنده های مبتنی بر ترانزیستور و عملکرد در دمای اتاق پشتیبانی کنند.
این تغییر در ترانزیستورها ضروریست چونکه پیشرفت در کامپیوتر های مبتنی بر ترانزیستور طی سالهای اخیر به علت محدودیت های فیزیکی و کاهش عملکرد، به صورت قابل توجهی کند شده است.
مولکول های ظرفیت مختلط
یک رقیب جالب در زمینه سیستم های محاسباتی جایگزین، سیستم هایی هستند که بر پایه مولکول های ظرفیت مختلط ساخته شده اند. این سیستم ها دارای الکترون های بیرونی به نام الکترون های ظرفیتی هستند که می توانند در واکنش به یک میدان الکتریکی بیرونی، به اطراف مولکول بپرند.
این رفتار به این علت به وجود می آید که میان همه الکترون های سازنده یک مولکول، کمترین اتصال به هسته اتم وجود دارد. این سبب می شود که آنها نسبت به تغییرات محیطی مانند میدان های الکترومغناطیسی اعمال شده یا تاثیر یک مولکول یا اتم نزدیک، حساس تر شوند.
در کامپیوتری که مبتنی بر مولکول های ظرفیت مختلط است، واحدهای اساسی خود مولکول ها هستند و اطلاعات توسط الکترون های ظرفیتی درون مولکول ها ذخیره می شوند که مشابه بیت های موجود در کامپیوتر های معمولی هستند.
«دیوید درابولد»(David Drabold) استاد برجسته دپارتمان فیزیک و ستاره شناسی در «دانشگاه اوهایو»(Ohio University) که در این پژوهش شرکت نداشت، توضیح داد: ایده اصلی اینست که حالت های الکترونیکی محلی یا اوربیتال های مولکولی را در سلول ها دستکاری نماییم تا مانند ترانزیستورها جریان را تغییر ندهند، بلکه برای نمایش اطلاعات بر مبنای بار مولکولی محلی اقدام نمایند. این مفهوم بر خلاف محاسبات کوانتومی، برای محاسبات با هدف عمومی مناسب می باشد.
این گروه پژوهشی به سرپرستی «انریکه بلر»(Enrique Blair) دانشیار دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر «دانشگاه بیلور»(Baylor University) در تگزاس، برای درک این که کدام مولکول ها بعنوان بهترین بیت ها عمل می کنند، یک تحلیل نظری را در مورد خصوصیت های چندین مولکول ظرفیت مختلط انجام دادند که نمونه هایی از آنها عبارتند از کاتیون مولکولی هیدروژن، آنیون مولکولی هیدروژن و مولکول های متعدد کاتیونی و آنیونی مبتنی بر کربن مانند اتیلن و آلیل دیمرها که در پژوهش های پیشین برای این منظور پیشنهاد شده بودند.
این که چگونه یک مولکول ظرفیت مختلط می تواند مانند بیت کامپیوتری عمل کند، به میزان حساسیت الکترون های ظرفیتی آن به میدان الکتریکی و همینطور میزان تغییر حالت آن در اثر تعامل مولکول ظرفیت مختلط با یون های مجاور شامل مولکول ها یا اتم های اضافی یا الکترون های ازدست رفته بستگی دارد.
تاثیر یک یون دیگر که به صورت تصادفی اعمال شده است، می تواند بر موقعیت یک الکترون ظرفیتی، نحوه رفتار آن و بزرگی میدان الکتریکی مورد نیاز برای تغییر الکترون از یک حالت به حالت دیگر تاثیر بگذارد. این رفتار برای عملکردهای اساسی دستگاههای محاسباتی خیلی مهم است.
پژوهشگران توضیح دادند: وقتی مولکول های یونی ظرفیت مختلط بعنوان ماشین های سلولی نقطه کوانتومی استفاده می شوند، یون های مخالف تولیدشده در زمان آماده سازی دستگاه، به صورت تصادفی در نزدیکی آنها قرار می گیرند. چنین بارهای سرگردانی که به صورت تصادفی حضور دارند، می توانند بر عملکرد دستگاه به روشی غیر قابل کنترل و غیر قابل پیشبینی تاثیر بگذارند.
یون های دوقطبی
دانشمندان از مدلسازی محاسباتی جهت بررسی پویایی و رفتار الکترون های ظرفیتی در زمانی استفاده کردند که تحت تاثیر یک یون مجاور در مولکول های یونی ظرفیت مختلط هستند. آنها دریافتند که الکترون های ظرفیتی در مولکول های مذکور بشدت تحت تاثیر یون های مجاور خود قرار دارند. این یک مشکل است چونکه اگر بیت ها نتوانند حالت خویش را حفظ کنند، کامپیوتر به صورت قابل اطمینان کار نخواهد کرد.
یون های دوقطبی بعنوان یک چاره احتمالی برای این مشکل مورد بررسی قرار گرفته اند چونکه در مقایسه با سایر گزینه هایی که بعنوان مولکول های آبستن وجود دارند، آنها حاوی یک مرتبه مثبت و منفی هستند که در مکانهای کاملا تعریف شده از یک مولکول قرار می گیرند و این یک مرتبه خالص خنثی را بوجود می آورد.
پژوهشگران توضیح دادند: ما دو نوع مولکول خنثی از یون های دوقطبی را با یون های مخالف داخلی طراحی می نماییم. با این طراحی، یون مخالف داخلی از سوگیری حالت های دستگاه مولکولی جلوگیری می کند چونکه در مرکز مولکول قرار دارد. در نتیجه مکان الکترون های ظرفیتی، کمتر احتمال دارد که یون های دوقطبی، یون های بیرونی را در مجاورت بیت مولکولی جذب کنند. این خصوصیت به آنها امکان می دهد تا شکل و توانایی الکترون های خویش را برای واکنش نشان دادن به شیوه مطلوب حفظ کنند.
درابولد اظهار داشت: این یک رویکرد امیدوارکننده و بسیار بدیع برای غلبه کردن بر محدودیت های فناوری محاسباتی معمول است که به نظر می آید به محدودیت های فیزیکی اساسی در توسعه خود نزدیک می شود. امید برای ساخت دستگاه هایی با چگالی بالاتر و تولید گرمای کمتر، اهداف طراحی کامپیوتر جدید هستند.
آزمایش هایی در محیط واقعی
باآنکه نتایج این پژوهش بسیار امیدوارکننده هستند اما هنوز باید کارهای تجربی و محاسباتی زیادی جهت بررسی نحوه رفتار این بیت های مولکولی در یک محیط واقعی انجام شوند. امکان سنجی به این بستگی دارد که یون های دوقطبی پیشنهادی چقدر خوب عمل می کنند و با اجرای هر فناوری در مقیاس بزرگ امکان دارد خیلی از مشکلات پیشبینی نشده ایجاد شوند.
درابولد عنوان کرد: یک محدودیت عملی رویکرد پژوهش اینست که به مولکول های محاسباتی محدود می شود. این در شرایطی است که مواد واقعی، سه بعدی خواهند بود و احیانا اثرات تعامل الکتریکی دوربرد را در بر خواهند داشت که توسط محاسبات مولکولی پنهان می شوند. بنابراین، گام بعدی امکان دارد شامل تحلیل دقیق تری از طرح محاسباتی آنها در مواد واقعی باشد.
درابولد افزود: مانند هر تکنولوژی جدید، موانعی برای تحقق عملی این پژوهش وجود دارد. از چه مولکولی باید استفاده کرد؟ چه روندی را باید برای توسعه در پیش گرفت؟ اثر ناخالصی ها چیست؟ چطور می توان از خطاهای کوچک در دماهای عملی اطمینان حاصل کرد؟ نویسندگان این پژوهش تنها یک مشکل مهم را در نظر گرفته اند و آن «نویز یونی» است.
این پروژه هم اکنون، یک نقطه آغاز عالی است و پژوهشگران امیدوارند مولکول های یون دوقطبی دیگری هم وجود داشته باشند که برای این منظور مناسب تر عمل کنند.
باآنکه کامپیوتر مبتنی بر مولکول های ظرفیت مختلط هنوز تا کامل شدن فاصله دارد اما این پژوهش یک گام مهم در جهت ساخت دستگاه هایی است که می توانند نسبت به دستگاههای کنونی، قوی تر، فشرده تر و کارآمدتر باشند.
این پژوهش در «Journal of Computational Chemistry» به چاپ رسید.
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب