Rez@ee
15th February 2012, 08:50 PM
فیزیکدانان با استفاده از لیزر پالسی سریع موفق به ثبت اولین لحظات مقاومت الکتریکی شدند. مقاومت الکتریکی یعنی همان اصطکاکی که هنگام عبور جریان الکتریسیته از مدار، باعث تولید گرما میشود!
رخدادی خارق العاده است: در زمانی نزدیک به 300 فمتوثانیه[1] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn1) سرعت حرکت الکترونهای آزاد درون نیم رساناهای کامپیوتر، از سرعتهای پرتابه ای به سرعت های سوق مانند حلزونی کاهش مییابد. این یعنی تقریبا 10000 بار سریعتر از زمانی که لازم است تا نور مسیری به طول 30 سانتیمتر را طی کند.
کلاوس رایمن[2] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn2) از موسسه ی ماکس بورن برلین، یکی از نویسندگان مقالهای است که در 16 دسامبر در مجله ی فیزیکال ریویو لترز[3] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn3) چاپ شده و به مطالعه این اثر پرداخته است. "ما مجبور بودیم از پالس های لیزریِ بسیار سریع برای اندازه گیری چنین زمان های کوتاهی استفاده کنیم. این کار را هرگز نمی توان به وسیلهی ابزارهای الکترونیکی معمولی انجام داد."
نیمرساناها موادی هستند که هم از خواص رساناهای الکتریکی مانند مس بهره می برند و هم از خواص عایقهای الکتریکی مانند سرامیک. نیمرساناها از ترانزیستورها و اِل ای دی ها گرفته تا باتری های خورشیدی و ریزپردازندهها، در همه جا یافت میشوند. نیمرساناها بسته به نوعشان، مجموعهای از عملیات فیزیکی از جمله تولید نور را به نمایش میگذارند. برای نمونه، هنگامیکه اختلاف پتانسیلی به گالیم آرسناید اِعمال میشود، این ماده فوتونهای فروسرخ از خود گسیل میکند (و این مواد را به منابع خیلی خوبی از نور مخفی برای دوربینهای امنیتی تبدیل میکند).
نیمرساناها اجزاء حیاتیِ پردازشگرهای کامپیوتری نیز هستند. هنگامی که اختلاف پتانسیلی به آنها اِعمال میشود، نیمرساناها بیتهای اطلاعاتی را ذخیره و حمل و نقل میکنند. در این هنگام، اصطکاک الکترونها در ماده –مقاومت الکتریکی- دمای آنها را بالا میبرد.
فیزیکدانان می‌دانستند که در اولین لحظه ی اعمال اختلاف پتانسیل، مقاومت الکتریکی وجود ندارد. بنابراین الکترونها پیش از کند شدن و نیز پراکنده شدن، تا حدی حرکت آزادانه را تجربه میکنند. اما مشخص نبود پس از چه زمانی این گذار رخ میدهد. (در منبع اصلی خبر که در زیر به آن ارجاع داده شده است کارتونی نیز موجود است.)
رایمن میگوید: "هر فرآیند پراکندگی زمان می برد اما نمیدانستیم چقدر."
برای یافتن این زمان، رایمن و شش تن از همکارانش یک لیزر تراهرتزی[4] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn4) را برپا کردند یعنی که قادر بود 1 تریلیون پالس نوری در هر ثانیه گسیل کند و سپس باریکهاش را به دو قسمت کردند. یک نیمه، نواری از گالیم آرسناید را روشن میکرد و به الکترونهایش کمک میکرد جریان تولید کنند. نیمه ی دیگر حرکت الکترونها را اندازه گیری میکرد.
چون که کامپیوتر متعارف برای پردازشِ یک ضربِ داده ها بیش از حد کند بود، محققینِ این آزمایش آن را صدها بار اجرا کردند و هربار داده ی مربوط به لحظه ای اندکی متفاوت با دفعه ی قبل را ثبت کردند. بدین ترتیب، با انباشته شدنِ نقطه به نقطهی دادهها تصویری از مقاومت پدیدار شد.
در گالیم آرسناید 300 فمتوثانیه برای الکترون ها لازم است تا شروع به کند شدن و پراکنده شدن کنند. رایمن گفت که سرعت شروع مقاومت الکتریکی با تعداد حفره ها متناسب است. هرچه حفره ها بیشتر باشند الکترون ها تندتر به حرکت سوق مانند میل می کنند.
زمانی که کامپیوترها به سرعت پردازشی 1000 برابر سریعتر از آنچه اکنون ممکن است دست یابند، این اثر ممکن است بسیار مهم باشد.
رایمن گفت: "ما نمیدانیم که آیا هرگز بشود به چنین سرعتی دست یافت اما این امکان هست که با بهره برداری از این اثر بتوان کامپیوترهایی ساخت که سریعترند و کمتر برق مصرف می کنند."
منبع: http://www.wired.com/wiredscience/2011/12/electrical-resistance-speed/
[1] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref1) یک فمتو ثانیه برابر با 10-15 ثانیه است.
[2] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref2) Klaus Reimann
[3] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref3) “High-Field Transport in an Electron-Hole plasma: Transition from Ballistic to Drift Motion (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.256602).” By P. Bowlan, W. Kuehn, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey, C. Flytanis. Physical Review Letters, Vol. 107, No. 256602, Dec. 16, 2011. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.256602
[4] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref4) terahertz (THz) laser
انجمن فیزیک ایران
رخدادی خارق العاده است: در زمانی نزدیک به 300 فمتوثانیه[1] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn1) سرعت حرکت الکترونهای آزاد درون نیم رساناهای کامپیوتر، از سرعتهای پرتابه ای به سرعت های سوق مانند حلزونی کاهش مییابد. این یعنی تقریبا 10000 بار سریعتر از زمانی که لازم است تا نور مسیری به طول 30 سانتیمتر را طی کند.
کلاوس رایمن[2] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn2) از موسسه ی ماکس بورن برلین، یکی از نویسندگان مقالهای است که در 16 دسامبر در مجله ی فیزیکال ریویو لترز[3] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn3) چاپ شده و به مطالعه این اثر پرداخته است. "ما مجبور بودیم از پالس های لیزریِ بسیار سریع برای اندازه گیری چنین زمان های کوتاهی استفاده کنیم. این کار را هرگز نمی توان به وسیلهی ابزارهای الکترونیکی معمولی انجام داد."
نیمرساناها موادی هستند که هم از خواص رساناهای الکتریکی مانند مس بهره می برند و هم از خواص عایقهای الکتریکی مانند سرامیک. نیمرساناها از ترانزیستورها و اِل ای دی ها گرفته تا باتری های خورشیدی و ریزپردازندهها، در همه جا یافت میشوند. نیمرساناها بسته به نوعشان، مجموعهای از عملیات فیزیکی از جمله تولید نور را به نمایش میگذارند. برای نمونه، هنگامیکه اختلاف پتانسیلی به گالیم آرسناید اِعمال میشود، این ماده فوتونهای فروسرخ از خود گسیل میکند (و این مواد را به منابع خیلی خوبی از نور مخفی برای دوربینهای امنیتی تبدیل میکند).
نیمرساناها اجزاء حیاتیِ پردازشگرهای کامپیوتری نیز هستند. هنگامی که اختلاف پتانسیلی به آنها اِعمال میشود، نیمرساناها بیتهای اطلاعاتی را ذخیره و حمل و نقل میکنند. در این هنگام، اصطکاک الکترونها در ماده –مقاومت الکتریکی- دمای آنها را بالا میبرد.
فیزیکدانان می‌دانستند که در اولین لحظه ی اعمال اختلاف پتانسیل، مقاومت الکتریکی وجود ندارد. بنابراین الکترونها پیش از کند شدن و نیز پراکنده شدن، تا حدی حرکت آزادانه را تجربه میکنند. اما مشخص نبود پس از چه زمانی این گذار رخ میدهد. (در منبع اصلی خبر که در زیر به آن ارجاع داده شده است کارتونی نیز موجود است.)
رایمن میگوید: "هر فرآیند پراکندگی زمان می برد اما نمیدانستیم چقدر."
برای یافتن این زمان، رایمن و شش تن از همکارانش یک لیزر تراهرتزی[4] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftn4) را برپا کردند یعنی که قادر بود 1 تریلیون پالس نوری در هر ثانیه گسیل کند و سپس باریکهاش را به دو قسمت کردند. یک نیمه، نواری از گالیم آرسناید را روشن میکرد و به الکترونهایش کمک میکرد جریان تولید کنند. نیمه ی دیگر حرکت الکترونها را اندازه گیری میکرد.
چون که کامپیوتر متعارف برای پردازشِ یک ضربِ داده ها بیش از حد کند بود، محققینِ این آزمایش آن را صدها بار اجرا کردند و هربار داده ی مربوط به لحظه ای اندکی متفاوت با دفعه ی قبل را ثبت کردند. بدین ترتیب، با انباشته شدنِ نقطه به نقطهی دادهها تصویری از مقاومت پدیدار شد.
در گالیم آرسناید 300 فمتوثانیه برای الکترون ها لازم است تا شروع به کند شدن و پراکنده شدن کنند. رایمن گفت که سرعت شروع مقاومت الکتریکی با تعداد حفره ها متناسب است. هرچه حفره ها بیشتر باشند الکترون ها تندتر به حرکت سوق مانند میل می کنند.
زمانی که کامپیوترها به سرعت پردازشی 1000 برابر سریعتر از آنچه اکنون ممکن است دست یابند، این اثر ممکن است بسیار مهم باشد.
رایمن گفت: "ما نمیدانیم که آیا هرگز بشود به چنین سرعتی دست یافت اما این امکان هست که با بهره برداری از این اثر بتوان کامپیوترهایی ساخت که سریعترند و کمتر برق مصرف می کنند."
منبع: http://www.wired.com/wiredscience/2011/12/electrical-resistance-speed/
[1] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref1) یک فمتو ثانیه برابر با 10-15 ثانیه است.
[2] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref2) Klaus Reimann
[3] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref3) “High-Field Transport in an Electron-Hole plasma: Transition from Ballistic to Drift Motion (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.256602).” By P. Bowlan, W. Kuehn, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey, C. Flytanis. Physical Review Letters, Vol. 107, No. 256602, Dec. 16, 2011. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.256602
[4] (http://psi.ir/html/news/news/newsedit_f.asp?id=454&t=mod#_ftnref4) terahertz (THz) laser
انجمن فیزیک ایران