ترانزستور صوتي الى إلكترونيات جديدة تمامًا

قد تعتمد الترانزستورات المستقبلية التي تستهلك طاقة أقل بكثير من الأجهزة الحالية على مواد غريبة تسمى “العوازل الطوبولوجية”، حيث تتدفق الكهرباء عبر الأسطح والحواف فقط، دون أي تبديد للطاقة تقريبًا. في البحث الذي قد يساعد في تمهيد الطريق لمثل هذه الترانزستورات الطوبولوجية الإلكترونية، ابتكر العلماء في جامعة هارفارد وحاكوا أول ترانزستورات طوبولوجية صوتية، تعمل بالموجات الصوتية بدلاً من الإلكترونات.
الطوبولوجيا هي فرع الرياضيات الذي يستكشف طبيعة الأشكال بدون تغيير في شكلها. على سبيل المثال ، يمكن أن يتحول جسم على شكل كعكة دونات إلى شكل كوب ، بحيث تصبح فتحة العجين هي الفتحة الموجودة في مقبض الكوب. ومع ذلك ، لا يمكن للجسم أن يفقد الثقب دون أن يتحول إلى شكل مختلف تمامًا.

باستخدام نظريات الطوبولوجيا ، طور الباحثون أول عوازل طوبولوجية إلكترونية في عام 2007. الإلكترونات التي تتحرك على طول حواف أو أسطح هذه المواد “محمية طوبولوجيًا” ، مما يعني أن الأنماط التي تتدفق فيها الإلكترونات ستبقى دون تغيير في مواجهة أي اضطرابات. وهو اكتشاف ساعد في الفوز بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 2016. وصمم العلماء لاحقًا عوازل طوبولوجية فوتونية، حيث يكون الضوء محميًا كذلك.

مع ذلك ، فإن إنشاء ترانزستورات طوبولوجية إلكترونية يمكن من خلالها تشغيل وإيقاف تدفق الإلكترونات في المواد الطوبولوجية يتطلب التعامل مع ميكانيكا الكم المعقدة. باستخدام العوازل الطوبولوجية الصوتية، التي يمكن أن تتعرض فيها الموجات الصوتية للحماية الطوبولوجية، تمكن العلماء من تجنب هذا التعقيد لإنشاء ترانزستورات طوبولوجية صوتية.

ومع ذلك ، لم يكن تصميم ترانزستور طوبولوجي صوتي أمرًا سهلاً. يقول المؤلف الرئيسي للدراسة هاريس بيري ، الذي يعمل حاليًا في جامعة أكسفورد: “كنا نعلم أن نهجنا في المنطق الطوبولوجي يمكن أن ينجح ، لكننا ما زلنا بحاجة إلى إيجاد مجموعة قابلة للتطبيق من المواد التي نجحت فيها بالفعل”. “لقد قمنا بعمل مكثف إلى حد ما – كان هناك صيف واحد حيث كنا نجري حسابات على حوالي 20 جهاز كمبيوتر في نفس الوقت لاختبار الآلاف من المواد والتصميمات المختلفة.”

على الرغم من وجود العديد من التصميمات التي وجد العلماء أنها أوشكت على النجاح، إلا أن التصميمات بدت دائمًا وكأنها معرضة للخطر بطريقة ما – على سبيل المثال، قال بيري: “كان الجهاز أكبر من أن يكون عمليًا”. “ثم في أحد الأيام ، وجدنا أخيرًا تصميمًا يلبي جميع الاحتياجات، بعد ذلك، كان الأمر مجرد مسألة تصميم المكونات الإضافية – محول الحرارة، لوحة القاعدة المتوسعة – لجعل كل شيء يعمل.”

يتكون التصميم من شبكة من أعمدة فولاذية مثبتة على صفيحة مصنوعة من مادة أخرى ، وكلها مثبتة في صندوق محكم الإغلاق. والصندوق مصنوع من مادة تتوسع بشكل كبير عند تسخينها.

تحتوي شبكة الجهاز على أعمدة أكبر قليلاً على جانب وأعمدة أصغر قليلاً على الجانب الآخر. تتحكم هذه الاختلافات في الحجم والتباعد بين الأعمدة في طوبولوجيا الشبكة ، والتي بدورها تؤثر على ما إذا كانت الموجات الصوتية يمكن أن تتدفق عبر الأعمدة أم لا. على سبيل المثال ، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، لا يمكن أن تمر الموجات فوق الصوتية عبر الجهاز، ولكن عند 90 درجة مئوية ، يمكن أن تتذفق على طول الحافة بين الجانبين. فالخلاصة، يمكن للحرارة أن تحول هذا الجهاز من حالة إلى أخرى ، مثلما تفعل الكهرباء مع الترانزستورات التقليدية.

كما صمم العلماء جهازًا ثانيًا يحول الموجات فوق الصوتية إلى حرارة. عندما يقترن كلا الجهازين معًا، فإنهما يشكلان ترانزستورًا صوتيًا يمكنه التحكم في حالة ترانزستور مماثل آخر، تمامًا كما يمكن للكهرباء المتدفقة في الترانزستور التقليدي تبديل حالة الترانزستورات الأخرى.

لاحظ الباحثون أن هذه الترانزستورات الطوبولوجية الصوتية قابلة للتطوير. وهذا يعني أن التصميم نفسه يمكن أن يعمل أيضًا مع ترددات الجيجاهيرتز المستخدمة بشكل شائع في الدوائر التي يُحتمل أن تكون مفيدة لمعالجة المعلومات الكمومية.

وقال بيري: “بشكل عام، فإن التحكم في النقل الصوتي المحمي طوبولوجيًا له تطبيقات في عدد من المجالات المهمة، بما في ذلك تقليل الضوضاء الصوتية بكفاءة، والانتشار الصوتي أحادي الاتجاه، والتصوير بالموجات فوق الصوتية، وتحديد الموقع بالصدى، والتخفي الصوتي، والاتصالات الصوتية”.

يقول بيري، إن مبادئ التصميم المستخدمة لتطوير الترانزستورات الطوبولوجية الصوتية يمكن تكييفها للاستخدام في الأجهزة الضوئية بطريقة مباشرة إلى حد ما، “على الأقل من حيث المبدأ، لأن معادلة الموجة الصوتية ترسم حسابًا رياضيًا على نظيرتها الضوئية”. المعنى: إن فيزياء الموجات الصوتية والموجات الضوئية متشابهة بدرجة كافية بحيث يمكن ترجمة دروس الترانزستور الطوبولوجي من نوع واحد بسهولة إلى ترانزستور طوبولوجي من النوع الآخر.

ومع ذلك ، يقول بيري “هذا التعيين غير موجود في الإلكترونيات” ، مما يجعل الأمر أكثر صعوبة لتطوير ترانزستور طوبولوجي إلكتروني من هذا العمل. ومع ذلك ، “لا يزال من المحتمل أن نتبع نفس المخطط العام في مجال الإلكترونيات – علينا فقط إيجاد المواد المناسبة لاستخدامها”.

• قام العلماء بتفصيل نتائجهم على الإنترنت في وقت سابق من هذا الشهر في مجلة Physical Review Letters.
• ظهرت هذه المقالة في عدد مارس 2022 المطبوعة تحت عنوان “الترانزستورات الصوتية الجديدة: شكل إلكترونيات الغد ؟.”