مقاومات أوميّة بأبعاد نانومتريّة

chips_electronic_circuit_boards_m16991

استطاع باحثون من مركز لندن للتقنيات النانوية تصميم مقاومات مضغوطة لها قيم عالية ﹸيمكن استخدامها في الدارات الكمومية ذات الأبعاد النانوية. ومن المُتوقّع أن ﹸتساهم هذه التقنية الجديدة من المقاومات في دفع عجلة تطوير الأجهزة الكمومية لأغراض الحوسبة و الأبحاث الفيزيائية .
*
هناك العديد من التطبيقات والدارات التي تحتاج لوجود مقاومات ذات قيم عالية، نذكر منها على سبيل المثال دارة الانزياح الطوري الكمومية (Quantum Phase-Slip QPS)، حيث يتم تصميم هذه الدارة باستخدام أسلاك ذات مقطع صغير جداً مصنوعة من مواد فائقة الناقلية (Superconducting Materials.)، تستثمر هذه المواد خاصيّة أساسية من ميكانيكا الكم الا وهي تدفّق المغناطيس ذهابا و ايابا عبر السلك الصغيرﹸمتخطيّة بذلك حدود الطاقة، ﹸتسمّى خاصيّة المرورالنفقي الكمّي (Quantum Tunnelling)، الشئ الذي ما زال ﹸمستعصيا على الفيزياء الكلاسيكية الحاليّة.

*
عرض ﹸمختصّون في العلوم النانوية عام 2006 مقترحاً تحدّثو فيه عن إمكانية إعادة تعريف واحدة التيار الكهربائي الأمبير Ampere) ) بالإعتماد على دارات QPS و ذلك بربطها بالخصائص الأساسية للكون، وهو ما يُناقض النظام الفيزيائي المُعرِّف للأمبير و المُرتبط بشروط المخبر.

*
و قد قدّمت مجموعات أخرى من العلماءايضا اقتراحات أخرى تتعلّق باستخدام أجهزة QPS كبتّات كمومية /(qu-bits) (ﹸمكدّسات) في الحواسيب الكمومية حيث ﹸتعتبر الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية في قلب مثل هذه الحواسيب.
*
ﹸيؤكّد أحد الباحثين من مركز لندن للتقنيات النانوية أن أجهزة QPS تحتاج لوجود المقاومات فيها لعزل الحالة الكمومية الهشّة عن العالم الضوضائي المحيط، و أضاف ايضا أن هذه المقاومات ﹸتمكّن الجهاز من العمل بشكل أكثر استقراراً. حتى الآن لم تستطع المواد المعيارية المُستخدمة في صناعة الدارات المُتكاملة (IC) من أن تقوم بتوفير مقاومة كافية ضمن الحجم الصغير المطلوب في دارات QPS.

*

استطاع الباحث وار بيرتن (Warburton) بمساعدة زملائه أن يصنع مقاومات جديدة ذات قيم عالية وأبعادها من مرتبة النانومتر مستخدمين خليطاً من أوكسيد الكروم (Chromium Oxide)، حيث قاموا باستخدام تقنية جديدة ﹸتسمّى ‘الترسيب بالرشرشة/ بالنفث (Sputter Deposition) ‘لتشكيل طبقات رقيقة من أوكسيد الكروم. أصبح بإمكان الباحثين تعيير قيمة مقاومتها عن طريق التحكم بمحتوى الطبقة الرقيقة من الأوكسجين، حيث انه بزيادة ﹸمحتوى الأوكسجين، تزداد قيمة المقاومة. بالتالي استبدال الكروم بالأوكسجين يؤثّر في شيئين وهما عدد الاكترونات المتوّفرة لنقل التيار الكهربائي، و الآخر تأمين مسارات للالكترونات كي تتحرّك /تقفز من خلال المادة.

*

تم تبريد المقاومات التي حصل عليها الباحثون إلى درجة 4.2 K كلفن ^ثم أجروا عملية قياس للمقاومة النوعية (Resistivity) لمدى من نسب الكتلة المتغيرة بين الأوكسجين والكروم. و اختبر الباحثون المواد ذات الناقلية الضعيفة مثل الطبقات الرقيقة لأوكسيد الكروم فأعطت قيم مقاومة أعلى عند درجات الحرارة المنخفضة، وبالتالي يجب تبريد أي مقاومة يُراد استخدامها في جهاز QPS لكي يتغطى التأثير الكمّي على التأثيرالكلاسيكي المُعتاد ، كما لاحظ الباحثون أن الخليط الذي يحوي نسب عالية من الأوكسجين يعطي مقاومات ذات قيم عالية تستطيع تلبية متطلبات معظم دارات QPS.

*
و قد حدّد الفريق أيضا مواصفات مقاومة الإتّصال لطبقة رقيقة من أوكسيد الكروم عند وسيط مكوّن من نيوبيوم السيليكون** (niobium-silicon) و وجدوا أن تشكيل دارات QPS باستخدم أسلاك بأبعاد نانوية من نيوبيوم السيليكون سيكون أحد الطُرق الجديدة لإعادة قياس معيار كمّي جديد للأمبير. كما استخلص الفريق أن استحداث طبقة رقيقة من الذهب بين طبقتي أوكسيد الكروم ونيوبيوم السيليكون ﹸيقلّل من مقاومة الإتّصال مما يعطي مردوداً أفضل. ويخطط الفريق لدمج هذه المقاومات الجديدة في أجهزة QPS.

*

* Quantum Phase-Slip : هو نموذج بديل لاستخدام النقل بالكترون واحد الذي كان منتشراً في أوائل التسعينات في الأجهزة ، حيث يعتمد على استخدام وصلة انزياح طوري (Phase-Slip Junction) يتم تشكيلها من سلك ضيّق للغاية و فاثق الناقلية.

*
^ 1 K = -272.15 Celsius
** Niobium :عنصر كيميائي، رقمه الذري 41، يستخدم في السبائك فائقة التوصيل.

استطاع باحثون من مركز لندن للتقنيات النانوية تصميم مقاومات مضغوطة لها قيم عالية ﹸيمكن استخدامها في الدارات الكمومية ذات الأبعاد النانوية. ومن المُتوقّع أن ﹸتساهم هذه التقنية الجديدة من المقاومات في دفع عجلة تطوير الأجهزة الكمومية لأغراض الحوسبة و الأبحاث الفيزيائية .

هناك العديد من التطبيقات والدارات التي تحتاج لوجود مقاومات ذات قيم عالية، نذكر منها على سبيل المثال دارة الانزياح الطوري الكمومية (Quantum Phase-Slip QPS)، حيث يتم تصميم هذه الدارة باستخدام أسلاك ذات مقطع صغير جداً مصنوعة من مواد فائقة الناقلية (Superconducting Materials.)، تستثمر هذه المواد خاصيّة أساسية من ميكانيكا الكم الا وهي تدفّق المغناطيس ذهابا و ايابا عبر السلك الصغيرﹸمتخطيّة بذلك حدود الطاقة، ﹸتسمّى خاصيّة المرورالنفقي الكمّي (Quantum Tunnelling)، الشئ الذي ما زال ﹸمستعصيا على الفيزياء الكلاسيكية الحاليّة.
عرض ﹸمختصّون في العلوم النانوية عام 2006 مقترحاً تحدّثو فيه عن إمكانية إعادة تعريف واحدة التيار الكهربائي الأمبير Ampere) ) بالإعتماد على دارات QPS و ذلك بربطها بالخصائص الأساسية للكون، وهو ما يُناقض النظام الفيزيائي المُعرِّف للأمبير و المُرتبط بشروط المخبر.
و قد قدّمت مجموعات أخرى من العلماءايضا اقتراحات أخرى تتعلّق باستخدام أجهزة QPS كبتّات كمومية /(qu-bits) (ﹸمكدّسات) في الحواسيب الكمومية حيث ﹸتعتبر الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية في قلب مثل هذه الحواسيب.

ﹸيؤكّد أحد الباحثين من مركز لندن للتقنيات النانوية أن أجهزة QPS تحتاج لوجود المقاومات فيها لعزل الحالة الكمومية الهشّة عن العالم الضوضائي المحيط، و أضاف ايضا أن هذه المقاومات ﹸتمكّن الجهاز من العمل بشكل أكثر استقراراً. حتى الآن لم تستطع المواد المعيارية المُستخدمة في صناعة الدارات المُتكاملة (IC) من أن تقوم بتوفير مقاومة كافية ضمن الحجم الصغير المطلوب في دارات QPS.

استطاع الباحث وار بيرتن (Warburton) بمساعدة زملائه أن يصنع مقاومات جديدة ذات قيم عالية وأبعادها من مرتبة النانومتر مستخدمين خليطاً من أوكسيد الكروم (Chromium Oxide)، حيث قاموا باستخدام تقنية جديدة ﹸتسمّى ‘الترسيب بالرشرشة/ بالنفث (Sputter Deposition) ‘لتشكيل طبقات رقيقة من أوكسيد الكروم. أصبح بإمكان الباحثين تعيير قيمة مقاومتها عن طريق التحكم بمحتوى الطبقة الرقيقة من الأوكسجين، حيث انه بزيادة ﹸمحتوى الأوكسجين، تزداد قيمة المقاومة. بالتالي استبدال الكروم بالأوكسجين يؤثّر في شيئين وهما عدد الاكترونات المتوّفرة لنقل التيار الكهربائي، و الآخر تأمين مسارات للالكترونات كي تتحرّك /تقفز من خلال المادة.

تم تبريد المقاومات التي حصل عليها الباحثون إلى درجة 4.2 K كلفن ^ثم أجروا عملية قياس للمقاومة النوعية (Resistivity) لمدى من نسب الكتلة المتغيرة بين الأوكسجين والكروم. و اختبر الباحثون المواد ذات الناقلية الضعيفة مثل الطبقات الرقيقة لأوكسيد الكروم فأعطت قيم مقاومة أعلى عند درجات الحرارة المنخفضة، وبالتالي يجب تبريد أي مقاومة يُراد استخدامها في جهاز QPS لكي يتغطى التأثير الكمّي على التأثيرالكلاسيكي المُعتاد ، كما لاحظ الباحثون أن الخليط الذي يحوي نسب عالية من الأوكسجين يعطي مقاومات ذات قيم عالية تستطيع تلبية متطلبات معظم دارات QPS.
و قد حدّد الفريق أيضا مواصفات مقاومة الإتّصال لطبقة رقيقة من أوكسيد الكروم عند وسيط مكوّن من نيوبيوم السيليكون** (niobium-silicon) و وجدوا أن تشكيل دارات QPS باستخدم أسلاك بأبعاد نانوية من نيوبيوم السيليكون سيكون أحد الطُرق الجديدة لإعادة قياس معيار كمّي جديد للأمبير. كما استخلص الفريق أن استحداث طبقة رقيقة من الذهب بين طبقتي أوكسيد الكروم ونيوبيوم السيليكون ﹸيقلّل من مقاومة الإتّصال مما يعطي مردوداً أفضل. ويخطط الفريق لدمج هذه المقاومات الجديدة في أجهزة QPS.

* Quantum Phase-Slip : هو نموذج بديل لاستخدام النقل بالكترون واحد الذي كان منتشراً في أوائل التسعينات في الأجهزة ، حيث يعتمد على استخدام وصلة انزياح طوري (Phase-Slip Junction) يتم تشكيلها من سلك ضيّق للغاية و فاثق الناقلية. [2]
^ 1 K = -272.15 Celsius
** Niobium :عنصر كيميائي، رقمه الذري 41، يستخدم في السبائك فائقة التوصيل.