ترانزستورات النفق الكمومي تفتح آفاقًا جديدة في عالم الإلكترونيات

 تعد ترانزستورات السيليكون الأساس الذي تعتمد عليه الإلكترونيات الحديثة، فهي العنصر الأساسي في معظم الأجهزة بدءًا من الهواتف الذكية وحتى الحواسيب العملاقة. ورغم دورها الحيوي، فإنها تواجه تحديات كبيرة تتعلق بالكفاءة في العمل عند جهد كهربائي منخفض، وهو ما يعوق قدرتها على الأداء بأعلى كفاءة. هذه المشكلة تعرف بـ “طغيان بولتزمان”، وهي تحدٌّ فيزيائي يفرض على هذه الترانزستورات استهلاكًا كبيرًا للطاقة، مما يؤدي إلى تقليص عمر البطارية وزيادة حرارة الأجهزة.

ومع تزايد الحاجة لأجهزة إلكترونية عالية الأداء، خاصة في مجالات مثل الذكاء الاصطناعي، أصبح من الضروري إيجاد حلول لتجاوز هذا التحدي. في خطوة ثورية نحو تحقيق ذلك، تمكن فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) من تطوير نوع جديد من الترانزستورات ثلاثية الأبعاد. هذه الترانزستورات تحتوي على مواد شبه موصلة فائقة الرقة، وهي بديل فعال للسيليكون، مما يسمح لها بالعمل بكفاءة أعلى عند جهد كهربائي منخفض بشكل كبير مقارنةً بالترانزستورات التقليدية.

لكن ما الذي يجعل هذه الترانزستورات الجديدة مميزة؟ وكيف يمكن أن تؤثر على تطور الإلكترونيات المستقبلية؟ 

تعمل الترانزستورات في الأجهزة الإلكترونية كمفاتيح كهربائية، حيث تنتقل من حالة إيقاف إلى حالة تشغيل عند تطبيق جهد كهربائي عليها. والهدف هو الوصول إلى “منحدر التبديل” الأكثر كفاءة، وهو العامل الذي يحدد سرعة وكفاءة الترانزستور. وفي الترانزستورات التقليدية، يتطلب الأمر جهدًا كهربائيًا عاليًا لتجاوز حاجز الطاقة بين الحالتين. وهذا ما يعوق قدرة هذه الترانزستورات على العمل بكفاءة عالية.

ومع ذلك، نجح الباحثون في تطوير ترانزستورات باستخدام مواد شبه موصلة جديدة، مثل “أنتيمونيد الجاليوم” و”زرنيخيد الإنديوم”، كما استغلوا ظاهرة النفق الكمومي التي تسمح للإلكترونات باختراق حواجز الطاقة بدلاً من تجاوزها مباشرة. وهذا يجعل الترانزستورات الجديدة قادرة على التحول بين حالتي التشغيل والإيقاف باستخدام جهد كهربائي أقل بكثير، مما يؤدي إلى تحسين كبير في الكفاءة والسرعة.

كما استُخدمت تقنيات حديثة في منشأة MIT.nano لتطوير ترانزستورات نانوية ثلاثية الأبعاد تتميز بهياكل غير متجانسة من الأسلاك النانوية الرأسية. هذه الترانزستورات، التي يبلغ قطرها 6 نانومترات فقط، تُعد الأصغر في تاريخ التصنيع، مما سمح بتحقيق “منحدر تبديل” حاد للغاية، أي القدرة على التبديل بين حالتي التشغيل والإيقاف باستخدام أقل قدر ممكن من الطاقة.

وأظهرت التجارب أن هذه الترانزستورات الجديدة تتفوق على الترنساتورات التقليدية بمعدل 20 مرة من حيث الأداء، وهو ما يجعلها واحدة من أبرز الابتكارات في مجال الإلكترونيات. كما أكد يانجي شاو، الباحث الرئيسي في الدراسة، أن هذه الترانزستورات تمثل “قفزة نوعية” في عالم الإلكترونيات، حيث تتفوق ليس فقط في أداء الوظائف التي يقوم بها السيليكون، بل تتفوق عليه من حيث كفاءة استهلاك الطاقة.

ومع هذه التحسينات المذهلة في الأداء، فإن الترانزستورات الجديدة تعد بمستقبل مشرق في العديد من التطبيقات، بما في ذلك:

تحسين الأجهزة المحمولة:

تساعد هذه الترانزستورات في تطوير أجهزة محمولة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، مما يقلل من الحاجة لأنظمة تبريد معقدة ويطيل عمر البطاريات، خصوصًا في الأجهزة التي تعتمد على الذكاء الاصطناعي.

تعزيز قدرات الذكاء الاصطناعي:

بفضل قدرتها على إجراء عمليات حسابية معقدة بشكل أسرع، يمكن لهذه الترانزستورات تسريع عمليات التعلم العميق وتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي.

تطوير إنترنت الأشياء:

إمكانية دمج هذه الترانزستورات في أجهزة إنترنت الأشياء الصغيرة والقابلة للارتداء يعزز من وظائفها ويخفض تكلفتها، مما يساهم في توسيع نطاق استخدام هذه الأجهزة في الحياة اليومية.

ولكن رغم هذه النجاحات، يواجه الباحثون تحديات تتعلق بضرورة تحقيق تجانس تام في أداء الترانزستورات عبر الشريحة بأكملها، حيث يمكن أن يؤثر الاختلاف الطفيف في الأبعاد على سلوك الجهاز. ولهذا السبب، يواصل الفريق البحث عن تقنيات تصنيع أكثر دقة واستكشاف تصميمات جديدة للهياكل النانوية لتحسين الأداء وضمان أعلى موثوقية.

إن هذا الاكتشاف العلمي يمثل خطوة كبيرة نحو تطوير تقنيات أكثر تقدمًا، مما يعزز آفاق الابتكار في عالم الإلكترونيات ويشكل خطوة نحو المستقبل الذكي الذي يعتمد على أجهزة أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.