الفيزياء الكمومية تساهم بحل مشكلة استهلاك البطاريات للطاقة!

لايوجد شيء يمكن أن يقلل من أهمية أي جهاز جديد مثل حاجته للشحن عدة مرات في اليوم! لذلك تقوم الشركات المُصنّعة للقطع الالكترونية الاستهلاكية بالبحث عن طرقٍ جديدة للتخفيف استهلاك البطاريات في الأجهزة الذكية.

في مقالةٍ جديدة نشرت في مجلة IEEE Transactions on Electron Devices تم توضيح تفاصيل طريقةٍ جديدة تُستخدم في الأجهزة الالكترونية من شأنها المساعدة في تطوير جيلٍ جديد من الترانزستورات المُوّفرة لاستهلاك الطاقة، وذلك عبر دمج الفيزياء الكمومية Quantum physics ضمن أدوات المُحاكاة شائعة الاستخدام أثناء تصميم هذه الترانزستورات. يأمل فريق البحث في تشجيع إنشاء هذه الأجهزة التي تستخدم طاقةً أقل وبالتالي تحتاج الى مرات شحن أقل خلال فترة عملها.

الاستفادة المثلى من الترانزستورات ذات التأثير الحقليّ النفقي TFET: Tunnel Field Effect Transistor هو الهدف الأكبر للعديد من الباحثين، والسبب يَكمن في كونها قد تكون المفتاح للحد من استهلاك الطاقة قي الأجهزة الالكترونية. من الممكن استخدام هذه الترانزستورات (أي ترانزستورات TFET) مستقبلاً في التّطبيقات التي تتطلب طاقةً مُنخفضة جداً، مثل الحواسيب اللوحية أو الهواتف الذكية، حيث يساهم الاستهلاك الأقل للطاقة في هذه الأجهزة بجعل البطارية تعمل لفترةٍ أطول دون الحاجة للشحن المتكرر.

في عام 2014، قام الباحثون بنشر مقالٍ يَصف الاستفادة المُثلى من ترانزستورات TFET ذات البوابة المعدنية المزدوجة، أو التي تعرف اختصاراً بـ DMG-TFET. قام الباحثون بتوضيح الاستفادة المثلى من هذه الترانزستورات عبر تكنولوجيا برمجيات التصميم المُدعم بالحاسوب (TCAD)، غير أنهم واجهوا مشكلةً خطيرة عندما أدركوا  أن أسلوب TCAD القياسيّ لا يأخذ بعين الاعتبار الفيزياء الكمومية المتقدمة. بدون أخذ الفيزياء الكمومية بعين الاعتبار، ستكون النتائج مُتفائلة جداً وممتازة، ولكن سيكون النموذج ببساطة لا يعمل!

في المقال الثاني، طور الباحثون منهج مُحاكاةٍ جديد يشمل المبادئ الأساسية للفيزياء الكمومية وبشكلٍ مباشر ضمن أدوات الـ TCAD، وبدون الحاجة لاستخدام أجهزة المحاكاة الكمومية التي تستهلك وقتاً أطول. عبر هذه الإضافة، قام الباحثون بإعادة تحسين ترانزستورات DMG-TFET وذلك عبر تحسين مُحاكاة TCAD المتمثلة بتوسيع نطاق حزمته. يؤثر الميكانيك الكمومي بشكلٍ كبير على التيار النفقي في الترانزستورات الرقيقة. أظهر الباحثون أن تضمين الأثر الناتج عن الفيزياء الكمومية ضمن المحاكاة سيقود ألى نتائج أكثر دقة.

من أجل التّحقق من صحة هذه الطريقة الجديدة في تمثيل النماذج، يجب قياس مختلف التيارات في ترانزستورات DMG-TFET لمعرفة ما إذا كانت الافتراضات المُستخدمة في تطوير هذه الطريقة الجديدة هي افتراضات صحيحة.

“تأثير الميكانيك الكميّ في الأجهزة الالكترونية سيُصبح أكثر أهمية بسبب التّصغير المُتعمد والمستمر للأجهزة الإلكترونية”. كما يقول جيوفاني بيتي بينيفينتي الباحث الأساسي في هذه المنهج الجديد.

“على أية حال، ستبقى الصناعة تعتمد على تقنية TCAD بسببب توفيره للوقت ومرونته الجيدة. يقوم بحثنا الجديد بجلب الفيزياء الكمومية مباشرةً إلى أكثر برنامج محاكاة سهل الاستعمال، وهو برنامج TCAD، والذي نؤمن بأنه سيقوم بتسريع التقدم باتجاه تصميم ترانزستورات أكثر كفاءة”.

استخدام ترانزستورات TFET مُستقبلاً في القطع الالكترونية سينتج عنه أجهزة ذكية وحواسيب لوحية تتميز بفترة عمل أطول وملائمة أكثر، بالإضافة الى مسألة هامة جداً تتعلق بالحفاظ على الطاقة حيث يتم العمل بشكلٍ كبير من أجل جعل عالمنا عالم أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة – ذلك دون الإشارة الى انها ستمنحنا مزيداً من التّحرر من المشاكل المُرافقة لصعوبات التوصيل.

المصدر: IEEEXplore

للاطلاع على البحث المنشور في مجلة IEEE Transactions On Electronics Devices

 للمزيد من المقالات حول الفيزياء الكمومية وتطبيقها الهندسي:

عندما تلتقي الفيزياء بالهندسة: تعزيز كموميّ للذكاء الصنعيّ

فيزياء الكم قد أصبحت أكثر بساطة!