کنترل جریان الکتریکی با اسپین هسته

وجود تقاضای روبه رشد برای داشتن ادوات الکترونیکی قدرتمندتر و کوچکتر، فیزیکدانان را بر آن داشت تا به ارتقای نیمه رساناهای پربازده تر و ادواتی با قابلت ذخیره سازی بیشترداده بپردازند. با مشخص شدن این واقعیت که نیمه رساناهای سیلیکنی مرسوم با تولید گرما باعث از دست رفتن مقدار قابل توجهی از انرژی می‌شوند، دانشمندان در حال تحقیق برای استفاده از نیمه رساناهای آلی هستند. در واقع اینها لایه های نازک آلی هستند که بین دو رسانا قرارداده می‌شوند. امید بر ان است که آنها از نیمه رسانا های سیلیکنی پربازده تر باشند. علاوه بر این قابلت دسترسی به انواع مختلفی از نیمه رسانا های آلی می‌تواند به فیزیکدانان کمک کند تا بازده این قطعات را بهینه کنند.

کریستوفر بوهم از دانشگاه یوتا در حال وارد کردن یک OLED در اسپکترومتر
 

تراشه واسپین

تراشه های حافظه متداول دربازار، اطلاعات  را به فرم بار الکتریکی ذخیره ‌‌می‌کنند. حرکت این بارها داخل تراشه مقدار زیادی گرمای اضافی تولید می‌کند که این خود افزون بر کاهش طول عمر باتری، قابلیت کوچکتر کردن اجزا را کاهش می‌دهد. روش دیگر، ذخیره سازی اطلاعات در اسپین الکترونها یا هسته هاست که مثلا" اسپین بالا متناظر با 1 و اسپین پایین متناظربا صفراست. این می‌تواند منجر به حافظه هایی با تراکم بیشتر داده و بازدهی بیشتر انرژی نسبت به قطعات کنونی بشود. تمایل اسپین هسته‌های اتمی به محفوظ ماندن از تاثیرات محیط پیرامون، ذخیره سازی اطلاعات را در آنها بسیار مورد توجه قرارداده است. به عبارتی زمان ذخیره سازی اطلاعات در آنها تا چند دقیقه می‌تواند وجود داشته باشد که خود میلیونها باربزرگتر از این زمان برای الکترون هاست. چالش کنونی چگونگی ذخیره کردن و خواندن اطلاعات از روی این اجزاء کوچک است. اکنون کریستوفر بوهم وهمکارانش از دانشگاه یوتا همراه با جان لیپتون از دانشگاه رگنسبورگ ومحققان دیگر در دانشگاه کویینزلند نشان داده اند که شارش جریان الکتریکی در یک (OLED) را می‌توان با کنترل اسپین ایزوتوپهای هیدروژن در آن مدوله کرد. به گفته لیپتون" جریان الکتریکی در یک قطعه نیمه رسانای آلی شدیدا" بوسیله ی اسپین هسته های هیدروژنی تاثیر می‌پذیرد که این اثر در مواد آلی زیاد است." این تیم نشان دادند که شارش جریان الکتریکی از یک (OLED) پلیمری پلاستیکی می‌تواند دقیقا" محاسبه بشود که این خود استفاده از(OLED) ارزان قیمت به عنوان نیمه رساناهای پربازده  را پیش بینی می‌کند.

درست مانند NMR

بوهم وتیم همکاربا اعمال  یک میدان مغناطیسی ضعیف، به تست نمونه (OLED)  خود پرداختند.  این میدان یک اختلاف انرژی بین جهت گیری اسپین هسته دوتریم و پروتون  ایجاد می‌کند. محققان سپس از سیگنالهای رادیو فرکانس برای تغییر جهت گیری اسپین هسته ی دوتریم و پروتونها استفاده کردند. فرایندی که در طی آزمایش رزونانس مغناطیسی هسته نیز انجام می‌شود (NMR). تغییرات در اسپین هسته‌ها باعث ایجاد تغییراتی دراسپین الکترون‌های مجاور نیز می‌شود، واین باعث ایجاد تغییراتی در جریان الکترکی می‌شود. نیروهای مغناطیسی بین اسپین الکترونها و هسته ها میلیونها بارکوچکتر از نیروی الکتریکی لازم برای ایجاد تغییری مشابه درجریان است. این واقعیت نشان می‌دهد که این اثر می‌تواند در ایجاد ادوات نیمه رسانا برای ذخیره سازی اطلاعات با بازدهی انرژی بالا استفاده شود.  فعالیت اخیر از سال 2010 دنبال‌ میشده است. زمانی که بوهم و همکارانش نشان دادند که این تکنیک می‌تواند برای کنترل جریان در یک قطعه ساخته شده ازسیلیکون دوپ شده با فسفر استفاده شود. اگرچه این روش تنها در حضور میدانهای مغناطیسی قوی و در دماهای چند درجه نزدیک صفر مطلق امکان پذیر بود. وجود چنین شرایطی در ادوات تجاری غیرعملی است، در حالی که ادوات مبتنی بر(OLED)  به دماهای خیلی پایین و میدان‌های مغناطیسی خیلی زیادی احتیاج ندارند.

زمان واهلش

به گفته لیپتون" در نیمه رسانا های آلی زمان  واهلش  اسپین به طور چشمگیری با دما تغییر نمی کند. در مقابل این زمان   در سیلیکون دوپ شده با فسفربه طور قابل توجهی با کاهش دما افزایش می‌یابد بنابراین درسیلیکون دوپ شده با فسفر آزمایشها باید در دماهای پایین و میدان‌های مغناطیسی بالا انجام پذیرد."

این گروه معتقد است که تکنیک آنها برای هسته‌های دیگر با اسپین غیر صفر، البته با یکسری محدودیت، قابل اعمال است. به گفته لیپتون "چون پروتون و دوتریم هر دوایزوتوپهای هیدروژن هستند در زمان سنتز پلیمر، بدون تغییر در ساختار شیمیایی قابلیت جابجا شدن با همدیگر را دارند که ممکن است با انواع دیگر هسته‌ها شدنی نباشد. " تریتیم، سومین ایزوتوپ هیدروژن، رادیواکتیو است، پس مورد مناسبی برای  استفاده در انجام آزمایش‌ها نیست.

نویسنده :   Katherine Kornei 
 

 منبع : Nuclear spins control electric currents

مرجع : Room-temperature coupling between electrical current and nuclear spins in OLEDs

نقل از انجمن فیزیک ایران

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات