محققان پس از نیم قرن موفق به ساطع کردن نور از سیلیکون شدند

قانون مور در دنیای کامپیوترها شناخته شده است. این قانون بیان می‌کند که تعداد ترانزیستورهای تراشه‌ هر دو سال یکبار، دو برابر می‌شود. در حالی که انتظار می‌رود قانون مور در چند سال آینده زیر سوال برود، به تازگی تیمی از محققان اروپایی موفق به توسعه نانوسیم‌های آلیاژ سیلیکون شده‌اند که می‌توانند نور ساطع کنند.

نزدیک به ۵۰ سال پیش «گوردون مور»، هم‌بنیانگذار اینتل پیش‌بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای موجود درون تراشه‌ کامپیوتر هر دو سال یکبار، دو برابر می‌شود. زمانی که اینتل اولین میکروپردازنده خود را در اوایل دهه ۷۰ میلادی عرضه کرد، تنها ۲۰۰۰ هزار ترانزیستور روی آن وجود داشت. امروزه تراشه مورد استفاده در آیفون چندین میلیارد ترانزیستور دارد، بنابراین احتمالا در سال‌های آینده قانون مور دیگر بی‌معنی باشد.

ترانزیستورهای مدرن که نقش سلول‌های مغز کامپیوترها را ایفا می‌کنند، ابعاد بسیار کوچکی دارند. در صورتی که فاصله میان این ترانزیستورها کاهش شدیدی پیدا کند، به چندین مشکل برمی‌خوریم. از میان این مشکلات می‌توان به اختلال در حرکت الکترون‌ها، تولید بیش از حد گرما و همچنین اثرات کوانتومی عجیب اشاره کرد. یکی از راه‌حل‌ها برای جلوگیری از بروز این مشکلات، استفاده از اتصالات نوری بجای مدارهای الکترونیکی است. این تغییر می‌تواند باعث انتقال اطلاعات توسط فوتو‌ن‌ها بجای الکترون‌ها شود.

اگرچه راه‌حل را می‌دانیم، اما یک مشکل بزرگ وجود دارد و آن، سیلیکون است. سیلیکون ماده اصلی در ساخت تراشه‌ بوده که در زمینه انتشار نور عملکرد بسیار بدی دارد. با این وجود به نظر می‌رسد تیمی از محققان اروپایی توانسته‌اند به این مشکل غلبه کنند. روز چهارشنبه این تیم با سرپرستی «اریک بکرز»، فیزیکدان دانشگاه فناوری آیندهوون در هلند، مقاله‌ای در ژورنال Nature منتشر کرد. در این مقاله نحوه رشد نانوسیم‌های آلیاژ سیلیکونی که می‌توانند نور ساطع کنند، توضیح داده شده است.

در چندین دهه گذشته فیزیکدانان در این زمینه با مشکلات زیادی روبه‌رو شده بودند، اما بکرز اعلام کرده آزمایشگاه او هم اکنون از تکنیکی برای توسعه یک لیزر سیلیکونی کوچک که می‌توان آن را درون تراشه‌های کامپیوتر قرار داد، استفاده می‌کند. قرارگیری مدارهای فوتونی روی تراشه‌های الکترونیکی معمولی امکان انتقال سریع‌تر اطلاعات و همچنین کاهش مصرف انرژی را بدون افزایش دمای تراشه، فراهم می‌کند. این موضوع می‌تواند کارایی برنامه‌هایی که به اطلاعات زیادی نیاز دارند مانند یادگیری ماشینی را افزایش دهد.

سیلیکون

انتشار فوتون توسط سیلیکون از اهمیت بالایی برخوردار است و به گفته بکرز، این موضوع به ساختار آن‌ مربوط می‌شود. یک تراشه معمولی کامپیوتر از لایه باریک سیلیکونی به نام ویفر ساخته شده. سیلیکون یک ماده ایده‌آل برای تراشه‌های کامپیوتر محسوب می‌شود، چرا که یک نیمه هادی است. این خاصیت به ترانزیستورها اجازه می‌دهد که به عنوان سوئیچ‌های دیجیتال عمل کنند، حتی اگر اجزای متحرک نداشته باشند. این سوئیچ‌ها تنها در زمانی که ولتاژ مشخصی وارد ترانزیستور شود، باز و بسته خواهند شد.

درون ویفر، اتم‌های سیلیکون به صورت یک شبکه کریستالی مکعبی شکل قرار گرفته‌اند که امکان حرکت الکترون‌ها در شرایط ولتاژ مشخص را فراهم می‌کند. با وجود حرکت الکترون‌ها، فوتون‌ها از چنین قابلیتی بی‌بهره هستند و به همین دلیل نور نمی‌تواند به راحتی در سیلیکون حرکت کند. دانشمندان برای رفع این مشکل، به دنبال تغییر ساختار شبکه کریستالی درون ویفر بودند و تصمیم گرفتند آن را به صورت شش‌ ضلعی تولید کنند، اما چنین کاری بسیار سخت است. این تلاش‌ها در ۴ دهه اخیر نتیجه‌ای در پی نداشته است.

تیم بکرز در یک دهه گذشته روی این موضوع تحقیق کرده و موفق به توسعه نانوسیم‌های آلیاژ سیلیکون شده. این تیم برای اینکه عملکرد نانوسیم‌ها در زمینه انتشار نور را مورد آزمایش قرار دهد، آن‌ها را با لیزر مادون قرمز بمباران کردند و میزان نور عبوری را اندازه گرفتند. میزان انرژی عبوری، تفاوت چندانی با انرژی ورودی نداشت، بنابراین این سیستم می‌توانn در انتقال فوتون‌ها کارآمد باشد.

این تیم پس از موفقیت در این زمینه، تصمیم به استفاده از این تکنیک برای توسعه یک لیزر بسیار کوچک از آلیاژ سیلیکون گرفته. هم اکنون این لیزر در حال توسعه است و انتظار می‌رود که اواخر سال یک نمونه از آن تولید شود. مرحله بعدی، قرارگیری این لیزر روی تراشه‌های کامپیوتر فعلی است. بکرز انتظار ندارد که در آینده نزدیک تراشه‌های کامپیوتر کاملا نوری شوند و برخی قطعات همچنان از الکترون برای انتقال اطلاعات در فواصل کوتاه استفاده خواهند کرد.