از بيت ها تا فيت ها:
اسپين الكترون ها درست مثل يك ژيروسكوپ، شروع به چرخيدن مى كند. در مقاله ماه ژانويه، همين گروه توضيح داده بود كه چطور مى شود از پالس هاى نور ليزر، علاوه بر اندازه گيرى اسپين الكترون هاى ورودى براى هم خط كردن جهت گيرى آنها هم استفاده كرد و به اين ترتيب، بيت هاى اسپين ترونيكى را به وجود آورد. اين طور كه آوشالوم مى گويد: «قدم بعدى، ساختن اين بيت ها، جابه جا كردن، رديابى و تشخيصشان در يك وسيله الكتريكى است. گام اساسى و مهمى است اما حالا آن را برداشته ايم. اين وسيله از همان ولتاژهاى كوچكى كه الان در تراشه هاى رايانه اى به كار مى رود، استفاده مى كند. وقتى الكترون ها به بخش تحت تنش نيمه رسانا (همان جا كه ميدان الكتريكى شكل مى گيرد) برخورد مى كنند اسپين شان آناً قطبيده مى شود. از اين به بعد ما مى توانيم با روشن و خاموش كردن الكترودهاى گيت، جهت اسپين الكترون ها را به صورت همدوس عوض كنيم. اينجا «همدوس» كلمه كليدى است چون همين مفهوم است كه قابليت هاى شگفت آور تراشه هاى اسپين ترونيك را زياد مى كند و آنها را از بيت ها (رقم هاى دودويى صفر و يك)، به فيت ها _ يعنى رقم هاى فازى كه مى توانند طيف گسترده ترى از مقادير را اختيار كنند _ مى رساند. به زبان ساده، فاز يك الكترون همان جهت اسپين آن است كه مى توان مثل سوزن يك قطب نما تصورش كرد: اگر يك ريزتراشه بتواند الكترون هاى با اسپين رو به شمال، جنوب، شرق و غرب را از هم تشخيص بدهد، آن وقت به هر فيت مى توان يكى از اعداد صفر، يك، 2 يا 3 را بسته به جهت اسپين متناظرش نسبت داد. باز هم از آوشالوم بشنويد: «هرچه فاز اسپين را با دقت بيشترى بتوانيد تعيين كنيد، چگالى ذخيره اطلاعات بالاتر مى رود. به عبارت ديگر، اينكه اين چگالى 50 برابر شود يا 10000 برابر، بستگى به آن دارد كه زاويه اسپين را با چه دقتى بتوانيد بخوانيد. خوشبختانه با استفاده از نتايج چندين دهه كار بر روى تكنيك تصويربردارى با تشديد مغناطيسى (MRI) - كه اسپين هسته اتم ها را رديابى مى كند- مى دانيم كه چطور اين زاويه را خيلى دقيق اندازه بگيريم.با اين وجود فلاتى خاطرنشان مى كند: «هنوز يك ترانزيستور اسپينى كامل كه كار بكند، ساخته نشده است. فايده ترانزيستورها در مدار اين است كه سيگنال ها را تقويت مى كنند و به اين ترتيب به آنها اجازه مى دهند بدون افت از گيت هاى پرتعداد يك ريزپردازنده عبور كنند. هر چند انواع اسپين ترونيك آنها هنوز وجود خارجى ندارد. اما مطمئناً به زودى سروكله شان پيدا خواهد شد و محققان از همين حالا مشتاقانه براى كارهايى كه مى شود با آنها كرد، نقشه مى كشند.سال گذشته اينولدكخ و همكارانش در موسسه الكترونيك حالت جامد در برلين طرحى از يك المان منطقى اسپين ترونيك منتشر كردند كه قادر است تحت كنترل نرم افزار فعاليتش را تغيير بدهد. يعنى مثلاً در يك زمان نقش گيت AND بومى را بازى كند و چند نانوثانيه بعد به يك گيت OR يا NOR يا NAND تبديل شود. رايانه هايى كه در حال فعاليت خودشان را دوباره مداربندى مى كنند و اتصالات داخلى شان را تغيير مى دهند، به واقع مى توانند بسيار قدرتمند ظاهر شوند. كخ اخيراً توانست يك جمع كننده كامل _ رايج ترين نوع از اجزاى منطقى رايانه ها _ را فقط با استفاده از 4 المان منطقى اسپينى به جاى 16 ترانزيستور الكترونيكى كه معمولاً براى اين كار لازم است، طراحى كند. توان مصرفى و فضاى اشغال شده به وسيله اين نمونه اسپين ترونيكى به ترتيب 85 و 75 درصد كمتر از معادل الكترونيكى اش خواهد بود و با همان سرعت طرح هاى سيليكونى فعلى كار خواهد كرد. مهندسان هنوز راه زيادى تا استفاده از نسبيت به عنوان ابزارى براى طراحى مدارهاى اسپين ترونيكى پيش رو دارند. اما وقتى راه موجود هر روز با موانع جديد، بسته تر و صعب العبورتر مى شود، فناورى هاى اينشتينى مى تواند مسير كاملاً تازه اى براى صنعت رايانه باز كند.
اينشتين بيشتر از همه به خاطر نظرياتش درباره چيزهاى بزرگ معروف
است: سرعت نور، سرنوشت جهان و چيستى زمان. ولى در 1905 مولكول هاى كوچك هم توجه اش
را جلب كردند. همان سال در پايان نامه دكترايش تخمين هاى قبلى درباره اندازه اين
ذرات را بهتر كرد و در مقاله ديگرى قوانين رياضى حاكم بر حركت براونى را به دست
آورد. حركت براونى همان پديده ميكروسكوپى است كه از زمان كشفش در 1827 به وسيله
رابرت براون دانشمندان را در توصيفش گيج كرده بود. براون گياه شناس متوجه شده بود
كه ذرات ريزى مثل دانه هاى گرده گياهان به صورت درهم و برهم و آشوبناكى حركت مى
كنند. (ستون «حركت مولكول ها» را ببينيد) آسان ترين توضيح آن بود كه اين ذرات زنده
اند ولى براون نشان داد كه حتى ذرات پودر سنگ هم در آب همين حركات را از خودشان
نشان مى دهند. تا آغاز قرن بيستم بعضى از نظريه پردازان فكر مى كردند كه نيروهاى
الكتريكى ذرات را اين طرف و آن طرف مى راند. در حالى كه سايرين از ايده هايى مثل
تبخير، همرفت، تاثير نور و چيزهاى ديگر طرفدارى مى كردند. اينشتين مى گفت ذره معلق
در مايع به خاطر آنكه مولكول هاى مايع از همه سو با آن برخورد مى كنند، اين سو و آن
سو مى رود. در واقع معنى حرفش آن بود كه اين پديده يك سند محكم براى نظريه بحث
برانگيزى است كه گرما را همان حركت تصادفى مولكول ها مى داند. اينشتين در مقاله اش
بعضى از رابطه هاى بنيادى رياضى حاكم بر حركت براونى را هم به دست آورده بود. بعداً
معلوم شد كه آن شاخه از رياضيات اتفاقاً در تحليل بازارهاى بورس پيش بينى اينكه
مواد چطور در مايعات يا گازها پخش مى شوند و طراحى صافى هاى براونى سفيد واقع مى
شود. مورد اخير _ يعنى صافى هاى براونى _ با استفاده از اين واقعيت ساده كه در حركت
براونى ذرات ريز بيشتر از ذرات درشت، جابه جا مى شوند، مى توانند جنب وجوش هاى
تصادفى ذرات را به كار مفيد تبديل كنند. كارى مثل طبقه بندى ويروس ها براساس اندازه
يا حذف آلاينده هاى آب. دو سال پيش مهندسان موفق شدند دو نمونه از چنين وسايلى را
با استفاده از تكنيك هايى شبيه آنها كه در ساخت ريزتراشه ها به كار مى رود، بسازند.
اول جيمز سى آشتورم و همكارانش در دانشگاه پرينستون يك صافى براونى ساختند. آنها
كانالى درون يك ورقه سيليكونى ايجاد كردند كه داخلش در فاصله هاى مساوى، ستون هايى
به عرض 6 و ارتفاع 3 ميكرون داشت. ستون ها با ديواره كانال زاويه 45 درجه مى سازند
و طورى قرار گرفته اند كه وقتى مايع از درون كانال عبور مى كند، ذرات معلق در آن با
برخورد به ستون ها به سمت راست منحرف مى شوند. هر چه ذره كوچكتر باشد، بيشتر ورجه و
ورجه مى كند و بنابراين مسير كلى اش مرتباً بيشتر و بيشتر به راست منحرف مى شود. در
آزمايش هايى كه نتايجش دسامبر دو سال پيش منتشر شد، اشتورم مخلوطى از آب و DNA دو
نوع ويروس مختلف را از درون كانال گذراند و مشاهده كرد كه همين ساختار ساده قادر
است دو نوع DNA را با دقت خيلى خوبى از هم جدا كند. با استفاده از اين فناورى
اينشتين مى توان زمان لازم براى جدا كردن نمونه هاى بزرگ DNA را تا دوسوم كاهش داد.
روشى كه احتمالاً ارزان تر و جمع و جورتر از وسايل موجود است. سوون ماتياس
و فرانك مولر هم نوع متفاوتى از صافى هاى براونى را در موسسه فيزيك ماكس پلانك در
واينبرگ آلمان ساخته اند كه بيشتر به يك اسفنج شبيه است. هزاران كانال موازى، ورقه
نازكى از سيليكون را سوراخ سوراخ كرده اند و هر كدام با الگويى مشابه گردن يك بطرى،
پهن و باريك مى شوند. ماتياس و مولر صافى شان را وسط ظرفى با دهانه هم اندازه كه پر
از آب و دانه هاى پلاستيكى ميكروسكوپى بود، محكم كردند. كف ظرف مرتباً بالا و پايين
مى رفت و با موج هايش آب را در كانال ها جلو و عقب مى راند. وقتى دانه هاى پلاستيكى
به طرف داخل كانال ها جريان پيدا مى كردند، حركت براونى شان در قسمت گردن مانند
كانال آنها را به ديواره كانال فشار مى داد و مانع بيرون رفتن مجددشان همزمان با
تغيير جهت جريان مى شد. به تدريج تقريباً همه دانه ها در كانال هاى صافى به طرف
قسمت بالايى ظرف حركت مى كردند و در پايين آبى تميز باقى مى گذاشتند. از آنجا كه
اين صافى را مى توان در اندازه هاى بزرگ ساخت، اين روش راه تازه اى براى جدا كردن
آلاينده هاى جامد، مثل دوده ويروس ها يا اجزاى سلولى، از يك جريان پيوسته آب جلوى
روى مهندسان باز مى كند.
اينشتين مدت ها در برابر غرابت و بيگانگى قوانين كوانتوم، كه حكمرانان عصر اتمى بودند مقاومت كرد. نقش تعيين كننده و مهمى كه اين قوانين به شانس و عدم قطعيت مى دادند با غريزه هاى او جور در نمى آمد. اما برخلاف مشكلاتى كه با پيامدهاى فلسفى فيزيك كوانتومى داشت، در نهايت نقش مهمى در پيشرفت اين شاخه بازى كرد. مثلاً در 1925 مقاله اى از ساتيندرانات بوز فيزيكدان هندى درباره آمار فوتونى خواند و فهميد كه اگر اتم ها را بتوان زمانى تا نزديكى هاى صفر مطلق سرد كرد و كنار هم نگه داشت، چيز عجيب و غريبى اتفاق مى افتد. اثرات كوانتومى اتم ها را مجبور مى كند تا موقتاً به صورت نوعى ابراتم متراكم شوند. به عبارت ديگر گروه اتم ها، همان گونه آرايش پيدا مى كند كه فوتون هاى يك باريكه ليزر.ليزرها، ابزارهاى سودمندى از كار درآمده اند و دلايل خوبى هست كه «ليزرهاى اتمى» هم به همين اندازه كارا خواهند بود. اما ماده چگاليده بوز- اينشتين (اسمى كه به اين چكه هاى فوق سرد اتمى اطلاق مى شود) بيشتر از 70 سال به صورت يك پيش بينى هوشمندانه باقى ماندند. در ژوئن 1995 اريك كرنل و كارل ويمن از موسسه JILA در بولدر، بالاخره توانستند كارى كنند كه 2000 اتم روبيديوم _ همان طور كه اينشتين پيش بينى كرده بود- كنار هم بنشينند. 60 سال بعد، اين دو به همراه ولفگانگ كترل از MIT براى كارشان نوبل گرفتند.حالا كرنل و دانش جويانش در JILA آخرين قدم ها را براى كامل كردن تراشه اى برمى دارند كه مى تواند اين مواد چگال را روى سطحش هدايت كند. تراشه كرنل، چكه هاى اتمى را به روشى مى شكافند و دوباره تركيب مى كنند كه با استفاده از آن مى توان شتاب و چرخش را حتى با حساسيت بيشترى نسبت به فناورى هاى مبتنى بر ليزر، ثبت و اندازه گيرى كرد. چيزى كه خودشان اسم تداخل سنج اتمى را رويش گذاشته اند. به قول كرنل «مى توانيد يكى از اينها را در شكم هواپيما بگذاريد و با آن تغييرات كوچك در شدت و جهت گرانش را اندازه بگيريد. اين افت و خيزهاى ريز شتاب گرانش، نشان دهنده چيزهايى است كه چون در عمق زياد زمين يا آب قرار دارند نمى توانيد آنها را ببينيد. چيزهايى مثل ميدان هاى نفتى، رگه هاى معدنى، غارها و حتى تونل ها و صخره هاى زيرزمينى» اين طور كه كرنل ادامه مى دهد: «تداخل سنج هاى اتمى قادرند دقت بهترين حسگر چرخشى حاضر، يعنى ژيروسكوپ هاى مكانيكى را هم 100 تا 1000 بار بهتر كنند. يك ژيروسكوپ خوب بيشتر از هر چيزى به درد تعيين موقعيت مى خورد. البته با وجود شبكه ماهواره اى GPS تعيين موقعيت جهانى) اين مسئله حل شده به نظر مى رسد. ولى اگر قرار باشد شما مدت زيادى توى يك قوطى تيتانيومى زير آب بمانيد و هيچ صدايى هم از خودتان درنياوريد يك ژيروسكوپ خوب به كارتان مى آيد. موقعيتى كه اتفاقاً نيروى دريايى زياد با آن سر و كار دارد. «اشاره كرنل به كاربردهاى نظامى قضيه است. جاهايى كه سينگال هاى GPS به طريقى بلوكه و متوقف مى شوند. اما نياز به سيستم هاى ناوبرى دقيق، همچنان وجود دارد. همان طور كه از اسمش برمى آيد يك تداخل سنج اتمى، همانند مشابه نورى اش دو گروه اتم همدوس را روى هم مى اندازد و الگوى تدافعى حاصل را بررسى مى كند، مثل همه چيزهاى كوانتومى، ماده چگاليده بوز _ اينشتين هم رفتار دوگانه موجى _ ذره اى از خودش نشان مى دهد. وقتى يك مجموعه تراكم و همدوس اتمى دو تكه مى شود، تكه ها حركتشان را با طول موج و فاز يكسان آغاز مى كنند. حالا اگر اين دو قسمت، مسيرهاى مختلفى را طى كنند يكى از آنها در فاز از ديگرى عقب مى افتد. بنابراين زمانى كه دو تكه بعد از طى مسير، دوباره به هم مى رسند قله ها و دره هاى موجشان روى هم مى افتد و يك الگوى رشته رشته مانند به وجود مى آورد كه در آن مناطقى كه شامل تعداد زيادى اتم هستند با مناطق تقريباً خالى از هم جدا شده اند. كترل و مارك كازويچ از دانشگاه استنفورد به همراه عده اى ديگر به تازگى موفق شده بودند، تداخل سنج هاى اتمى واقعى بسازند ولى دستگاهشان بيشتر حجم يك اتاق را پر مى كند. چون مجموعه هاى متراكم اتمى (يا همان چكه ها) بايد در حال سقوط آزاد درون يك اتاقك خلاء بزرگ، شكافته و بازتركيب شوند. مدل هايى كه كرنل و دانا اندرسون رويش كار مى كنند، خيلى جمع و جور تر از آب درخواهد آمد.«با هدايت اتم ها مى توان اندازه تداخل سنج را تا يك تراشه كوچك كاهش داد.» اين حرف را يكى از دانشجويان كرنل به اسم ينيگ جووانگ در حالى كه به تكه اى شيشه در حد و اندازه اسلايد ميكروسكوپ اشاره مى كند، مى زند. دو نوار موازى و نازك طلايى از وسط اسلايد مى گذرند و چيزى شبيه يك راه آهن كوچك به وجود مى آورند. جريان الكتريكى هم جهت و هم اندازه از نوار ها مى گذرد و يك ميدان مغناطيسى ايجاد مى كند كه مقدارش در وسط دو نوار صفر است وانگ مى گويد: «اتم هاى دوبيديومى كه استفاده مى كنيم، دوست دارند در ضعيف ترين قسمت ميدان مغناطيسى بمانند. بنابراين ناحيه وسط دو نوار مثل يك كانال براى آنها عمل مى كند كه از آن بيرون نمى آيند.» كمى جلوتر خط آهن طلايى به يك تقاطع Y شكل مى رسد كه همان شكافنده است. وانگ ادامه مى دهد: «اينجا يك موج ايستاده از نور ليزر به وجود مى آوريم كه نيمى از اتم هاى مجموعه چگاليده را به راست و نيمى را به چپ مى فرستد. حدود 300 ميكرون جلوتر، تكه ها دوباره به موج هاى ايستاده اى برخورد مى كنند كه مانند آينه اتم ها را برعكس بار اول منحرف مى كند. كمى بعد از اين انحراف تكه ها به هم مى رسند، بر هم نهاده مى شوند و تداخل مى كنند. در اين جا يك دوربين مخصوص محل رشته هاى اتمى ايجاد شده را ثبت مى كند.» هر چند اندازه تجارى مناسب براى تداخل سنج چيزى حدود كف دست است اما اين دستگاه با متعلقاتش هنوز يك ميز آزمايشگاه را پر مى كند. كرنل مى گويد: «خيلى از بخش هاى طرح ما هنوز هم جاى كوچك شدن دارند اما بعضى ها هم اين طور نيستند. مثل سيستم هاى سردكننده ليزرى كه اتم ها را از دماى اتاق به چند ميليارديم درجه بالاتر از صفر مطلق مى رساند.» بنابراين يك ژيروسكوپ اتمى ممكن است نهايتاً در ساعت مچى يا تلفن همراه جا نشود اما تا استفاده از آن در هواپيماها و زيردريايى ها، راه زيادى باقى نمانده است. از اين گذشته اگر سرگذشت ليزر، معيار خوبى باشد، كارآفرينان آينده، كاربردهاى بيشترى براى اين حالت جديد ماده پيدا خواهند كرد. خيلى بيشتر از آنچه دانشمندان حالا بتوانند تصورش را بكنند.
