في إنجاز غير مسبوق على مستوى العالم، طوّر فريق بحثي من جامعة ولاية بنسلفانيا الأميركية حاسوباً إلكترونياً لا يعتمد على السيليكون، وهو العنصر الذي يُشكّل حجر الأساس في صناعة أشباه الموصلات، ويُستخدم بشكل واسع في الهواتف الذكية، والحواسيب، والمركبات الكهربائية، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية.
واستخدم الباحثون بدلاً من السيليكون مواد ثنائية الأبعاد بسُمك ذرة واحدة فقط، لتطوير حاسوب قادر على تنفيذ عمليات منطقية بسيطة. وتتميز هذه المواد بالحفاظ على خصائصها الإلكترونية الفريدة حتى عند هذا المستوى الذري، على عكس السيليكون الذي يفقد كفاءته عند تقليص حجمه.
وقد نُشر هذا الابتكار يوم الأربعاء في دورية نيتشر العلمية، حيث وصفه الفريق البحثي بأنه نقلة نوعية نحو تطوير إلكترونيات أكثر نحافة وسرعة وكفاءة في استهلاك الطاقة.
ويعتمد الحاسوب الجديد على تقنية أشباه الموصلات المعدنية الأكسيدية التكميلية (CMOS)، والتي تُستخدم في تصنيع الدوائر المتكاملة، وهي التقنية التي تُعد العمود الفقري لمعظم الأجهزة الإلكترونية الحديثة. لكن اللافت أن الباحثين استطاعوا تطبيق هذه التقنية دون الحاجة إلى السيليكون.
وبدلاً منه، لجأ الفريق إلى استخدام مادتين ثنائيتَي الأبعاد لتصنيع نوعين من الترانزستورات، تُعد أساسية في التحكم بتدفق التيار الكهربائي في أنظمة CMOS.
وقال البروفيسور سابتارشي داس، أستاذ علوم الهندسة والميكانيكا بالجامعة وقائد الفريق البحثي: "لقد كان السيليكون سبباً رئيسياً في تطور الإلكترونيات على مدى عقود بفضل قدرته على تقليص حجم ترانزستورات تأثير المجال الكهربائي (FETs) باستمرار".
وأضاف في تصريحاته يوم الأربعاء: "الترانزستورات من نوع FET تتحكم في التيار الكهربائي باستخدام مجال كهربائي، لكن مع تقليص حجم السيليكون تبدأ كفاءته في الانخفاض. على النقيض، فإن المواد ثنائية الأبعاد تحافظ على أدائها الإلكتروني الممتاز حتى عند مستوى الذرات، وهو ما يفتح باباً جديداً لمستقبل الإلكترونيات المتقدمة".
وأشار داس إلى أن تحقيق أداء عالٍ واستهلاك منخفض للطاقة في التقنية الجديدة يُعد تحدياً كبيراً، وهو ما حال دون تخطي حاجز السيليكون حتى الآن، رغم الجهود الكبيرة المبذولة في هذا المجال.
ورغم أن هناك دراسات سابقة طورت دوائر إلكترونية صغيرة باستخدام المواد ثنائية الأبعاد، فإن إنتاج حواسيب متكاملة وفعالة ظل تحدياً قائماً. لكن، وفقاً لداس، فإن فريقه استطاع ولأول مرة بناء حاسوب CMOS كامل باستخدام هذه المواد وعلى مساحات كبيرة.
واستعان الفريق بطريقة "الترسيب الكيميائي" لإنتاج أكثر من 1000 ترانزستور من كل نوع، كما تمكّنوا من تحسين خطوات التصنيع وضبط مراحل المعالجة النهائية بدقة، ما سمح لهم بتعديل جهد البدء للترانزستورات وبناء دوائر منطقية CMOS تعمل بكفاءة كاملة.
وقال سوبير غوش، الباحث الرئيسي في الدراسة وطالب الدكتوراه ضمن فريق داس: "يعمل الحاسوب بجهد كهربائي منخفض ويستهلك طاقة ضئيلة جداً، كما أنه قادر على تنفيذ عمليات منطقية أساسية بتردد يصل إلى 25 كيلوهرتز".
وأوضح: "قمنا كذلك بتطوير نموذج حسابي دقيق بناءً على بيانات تجريبية، يأخذ في الاعتبار الفروقات بين الأجهزة المختلفة، من أجل التنبؤ بأداء الحاسوب الجديد ومقارنته بالتقنيات القائمة على السيليكون".
واختتم غوش بالقول: "رغم وجود مساحة لتحسين الأداء مستقبلاً، فإن هذا العمل يمثل خطوة مهمة للغاية نحو استغلال المواد ثنائية الأبعاد في دفع عجلة تطور الإلكترونيات"، مؤكداً أن ذلك يُعد قفزة نوعية تتجاوز المسار التقليدي المعتمد على السيليكون.
تابع أحدث التطورات في عالم التقنية؟ لا تفوّت جديدنا على فيسبوك وتويتر، حيث نشارككم أبرز الابتكارات والاختراعات التقنية يومياً — تابعنا وكن دائماً في قلب الحدث!
