በፊዚክስ ውስጥ የ140 ዓመት ምስጢርን መፍታት

ከ IBM ምርምር በጸሐፊዎች የተተረጎመ ጽሑፍ።

በፊዚክስ ውስጥ አስፈላጊ የሆነ ግኝት የሴሚኮንዳክተሮችን አካላዊ ባህሪያት በበለጠ ዝርዝር እንድናጠና ያስችለናል. ይህ የሚቀጥለው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቴክኖሎጂ እድገትን ለማፋጠን ይረዳል።

ደራሲያን
ኦኪ ጉናዋን - የሰራተኛ አባል, IBM ምርምር
ዶግ ጳጳስ - ባህሪ መሐንዲስ, IBM ምርምር

ሴሚኮንዳክተሮች ለዘመናዊው ህይወታችን የሚጠቅሙ እንደ ኮምፒውተሮች፣ ስማርት ፎኖች እና ሌሎች የሞባይል መሳሪያዎች ያሉ የተለያዩ መሳሪያዎችን ያቀርቡልናል የዛሬው የዲጂታል ኤሌክትሮኒክስ ዘመን መሰረታዊ ህንጻዎች ናቸው። በሴሚኮንዳክተር ተግባር እና አፈጻጸም ላይ የተደረጉ ማሻሻያዎች የቀጣይ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር አፕሊኬሽኖችን በኮምፒውተር፣ በዳሰሳ እና በሃይል ልወጣ እያስቻሉ ነው። ተመራማሪዎች በሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎች ውስጥ ያለውን የኤሌክትሮኒካዊ ክፍያዎች ሙሉ በሙሉ ለመረዳት እና ወደ ፊት የመሄድ አቅማችንን የሚገቱትን የላቁ ሴሚኮንዳክተር ቁሶችን ሙሉ በሙሉ የመረዳት አቅማችን ውስንነቶችን ለማሸነፍ ሲታገሉ ቆይተዋል።

በመጽሔቱ ውስጥ አዲስ ጥናት ውስጥ ፍጥረት በ IBM ሪሰርች የተመራ የምርምር ትብብር የ140 አመት የፊዚክስ ምስጢር በመፍታት ረገድ የሰሚኮንዳክተሮችን አካላዊ ባህሪያት በበለጠ ዝርዝር እንድናጠና እና አዲስ እና የተሻሻሉ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶችን ለመፍጠር የሚያስችለንን አስደሳች ሂደት ይገልጻል።

የሴሚኮንዳክተሮችን ፊዚክስ በትክክል ለመረዳት በመጀመሪያ በቁሳቁሶች ውስጥ የኃይል መሙያዎችን መሰረታዊ ባህሪያት ማለትም አሉታዊ ወይም አወንታዊ ቅንጣቶችን ፣ በተግባራዊ የኤሌክትሪክ መስክ ውስጥ ያላቸውን ፍጥነት እና በእቃዎቹ ውስጥ ምን ያህል እንደታሸጉ መረዳት አለብን። የፊዚክስ ሊቅ ኤድዊን ሆል እ.ኤ.አ. በ 1879 መግነጢሳዊ መስክ በኤሌክትሮን ቻርጅ ውስጥ ያለውን እንቅስቃሴ እንደሚያስተጓጉል እና የመቀየሪያው መጠን ሊለካ የሚችለው ከተከሳሹ የአቅጣጫ ፍሰት ጋር ሊለያይ እንደሚችል ሲያውቅ እነዚህን ንብረቶች የሚያውቅበትን መንገድ አገኘ። በስእል 1 ሀ ላይ እንደሚታየው ቅንጣቶች. ይህ የቮልቴጅ፣ የሆል ቮልቴጅ በመባል የሚታወቀው፣ በሴሚኮንዳክተሩ ውስጥ ስላሉት ቻርጅ ተሸካሚዎች፣ አሉታዊ ኤሌክትሮኖች ወይም "ቀዳዳዎች" የሚባሉት ፖዘቲቭ ኳሲፓርቲሎች፣ በኤሌክትሪክ መስክ ውስጥ ምን ያህል በፍጥነት እንደሚንቀሳቀሱ፣ ወይም “ተንቀሳቃሽነት” (µ ) እና ትኩረታቸው (n) በሴሚኮንዳክተር ውስጥ።

የ140 ዓመት ምስጢር

የሆል ግኝት ከበርካታ አሥርተ ዓመታት በኋላ ተመራማሪዎች የሆልን ውጤት በብርሃን እንደሚያሳዩ ደርሰውበታል-ፎቶ-ሆል የሚባሉ ሙከራዎች, ምስል 1 ለ ይመልከቱ. በእንደዚህ ዓይነት ሙከራዎች ውስጥ, የብርሃን ማብራት በሴሚኮንዳክተሮች ውስጥ ብዙ ተሸካሚዎችን ወይም ኤሌክትሮን-ቀዳዳ ጥንዶችን ይፈጥራል. እንደ አለመታደል ሆኖ፣ ስለ አዳራሽ ተጽእኖ ያለን ግንዛቤ ለአብዛኞቹ (ወይም ብዙ) ክፍያ አጓጓዦች ብቻ ግንዛቤን ሰጥቷል። ተመራማሪዎቹ ከሁለቱም ሚዲያዎች (ዋና እና ዋና ያልሆኑ) መለኪያዎችን በአንድ ጊዜ ማውጣት አልቻሉም። እንዲህ ዓይነቱ መረጃ እንደ የፀሐይ ፓነሎች እና ሌሎች ኦፕቶኤሌክትሮኒካዊ መሳሪያዎች ላሉ ብዙ ብርሃን-ነክ አፕሊኬሽኖች ቁልፍ ነው።

IBM የምርምር መጽሔት ጥናት ፍጥረት ለረጅም ጊዜ ሲጠበቁ ከነበሩት የአዳራሹ ተፅእኖ ሚስጥሮች አንዱን ያሳያል። ከኮሪያ የላቀ የሳይንስ እና ቴክኖሎጂ ኢንስቲትዩት (KAIST)፣ የኮሪያ የኬሚካል ቴክኖሎጂ ምርምር ኢንስቲትዩት (KRICT)፣ ዱክ ዩኒቨርሲቲ እና አይቢኤም ተመራማሪዎች ስለ መሰረታዊ እና መሰረታዊ ያልሆኑ መረጃዎችን በአንድ ጊዜ ለማውጣት የሚያስችል አዲስ ቀመር እና ቴክኒክ አግኝተዋል። እንደ ማጎሪያቸው እና ተንቀሳቃሽነት ያሉ ተሸካሚዎች እንዲሁም ስለ ተሸካሚው የህይወት ዘመን፣ የስርጭት ርዝማኔ እና የድጋሚ ውህደት ሂደት ተጨማሪ መረጃ ያገኛሉ።

በተለይም በፎቶ-ሆል ሙከራ ውስጥ ሁለቱም ተሸካሚዎች በኮንዳክሽን (σ) እና በ Hall Coefficient (H, ከሃው ቮልቴጅ እና መግነጢሳዊ መስክ ጥምርታ ጋር ተመጣጣኝ) ለውጦች አስተዋፅኦ ያደርጋሉ. ቁልፍ ግንዛቤዎች የሚመጡት ከብርሃን መጠን ጋር በተገናኘ የመንቀሳቀስ ብቃትን እና የ Hall Coefficientን በመለካት ነው። በመተላለፊያው ቅርፅ የተደበቀ - የአዳራሽ ኮፊሸን ከርቭ (σ-H) በመሠረቱ አዲስ መረጃ ያሳያል-የሁለቱም ተሸካሚዎች ተንቀሳቃሽነት ልዩነት። በአንቀጹ ውስጥ እንደተብራራው ይህ ግንኙነት በቅንጦት ሊገለጽ ይችላል-

$$ ማሳያ$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$ ማሳያ$$

በጨለማ ውስጥ ከሚታወቀው የአብዛኛዎቹ ድምጸ ተያያዥ ሞደም ብዛት በመነሳት ለአብዛኛዎቹ እና ለአናሳዎቹ ተሸካሚዎች ተንቀሳቃሽነት እና ጥግግት እንደ የብርሃን ጥንካሬ ተግባር መገለጥ እንችላለን። ቡድኑ አዲሱን የመለኪያ ዘዴ ሰይሞታል፡ በአገልግሎት አቅራቢ-የተፈታ የፎቶ አዳራሽ (CRPH)። በሚታወቅ የብርሃን ማብራት መጠን, የአጓጓዥው የህይወት ዘመን በተመሳሳይ መንገድ ሊመሰረት ይችላል. ይህ ግንኙነት እና መፍትሄዎቹ የሆል ተፅእኖ ከተገኘበት ጊዜ ጀምሮ ለአንድ ምዕተ ዓመት ተኩል ያህል ተደብቀዋል.

ከዚህ የንድፈ ሃሳባዊ ግንዛቤ እድገት በተጨማሪ ይህንን አዲስ ዘዴ ለማንቃት የሙከራ ዘዴዎች መሻሻሎችም ወሳኝ ናቸው። ዘዴው የአዳራሹን ምልክት ንፁህ መለካት ያስፈልገዋል, ይህም የአዳራሹ ምልክት ደካማ ከሆነ (ለምሳሌ በዝቅተኛ ተንቀሳቃሽነት ምክንያት) ወይም ተጨማሪ የማይፈለጉ ምልክቶች ሲታዩ, እንደ ኃይለኛ የብርሃን ጨረር (ጨረር ጨረር) ባሉበት ቁሳቁሶች ላይ አስቸጋሪ ሊሆን ይችላል. ይህንን ለማድረግ, የንዝረት መግነጢሳዊ መስክን በመጠቀም የሆልን መለኪያ ማከናወን አስፈላጊ ነው. ሬዲዮን በሚያዳምጡበት ጊዜ ልክ እንደ ጫጫታ የሚሠሩትን ሌሎች ድግግሞሾችን በመጣል የሚፈለገውን ጣቢያ ድግግሞሽ መምረጥ ያስፈልግዎታል። የ CRPH ዘዴ አንድ እርምጃ ወደፊት ይሄዳል እና የሚፈለገውን ድግግሞሽ ብቻ ሳይሆን የማወዛወዝ መግነጢሳዊ መስክን ደረጃም እንዲሁ synchronous Sensing በተባለ ዘዴ ይመርጣል። ይህ የመወዛወዝ አዳራሽ መለኪያ ጽንሰ-ሀሳብ ከጥንት ጀምሮ ይታወቃል፣ ነገር ግን የኤሌክትሮማግኔቲክ መጠምጠሚያዎችን በመጠቀም የመወዛወዝ መግነጢሳዊ መስክን ለመፍጠር የተለመደው ዘዴ ውጤታማ አልነበረም።

ቀዳሚ ግኝት

ብዙውን ጊዜ በሳይንስ ውስጥ እንደሚደረገው፣ በአንድ አካባቢ ያሉ እድገቶች የሚመነጩት በሌላኛው ግኝቶች ነው። እ.ኤ.አ. በ2015 የአይቢኤም ምርምር በፊዚክስ ውስጥ ቀደም ሲል ያልታወቀ ክስተት “የግመል ጉብታ” ውጤት ከተባለው አዲስ መግነጢሳዊ መስክ የታሰረ ውጤት ጋር ተያይዞ በምስል 2 ሀ ላይ እንደሚታየው በሁለት መስመር ተሻጋሪ ዲፕሎሎች መካከል የሚከሰተውን ክስተት ዘግቧል። ተፅዕኖው በስእል 2 ለ እንደሚታየው ትይዩ ዲፕሎል መስመር ወጥመድ (PDL trap) የሚባል አዲስ ዓይነት የተፈጥሮ መግነጢሳዊ ወጥመድን የሚያስችል ቁልፍ ባህሪ ነው። መግነጢሳዊ ፒዲኤል ወጥመድ ለተለያዩ የዳሰሳ አፕሊኬሽኖች እንደ tiltmeter፣ seismometer (የመሬት መንቀጥቀጥ ዳሳሽ) እንደ ልብ ወለድ መድረክ ሊያገለግል ይችላል። እንደነዚህ ያሉት አዳዲስ ሴንሰር ሲስተሞች ከትልቅ የመረጃ ቴክኖሎጂዎች ጋር ተዳምረው ብዙ አዳዲስ አፕሊኬሽኖችን ሊከፍቱ የሚችሉ ሲሆን በ IBM የምርምር ቡድን እጅግ ብዙ የጂኦስፓሻል ሃብቶችን የያዘ IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) የተባለ ትልቅ የመረጃ ትንተና መድረክ በማዘጋጀት ላይ ናቸው። እና የነገሮች የበይነመረብ መረጃ (IoT)።

የሚገርመው, ተመሳሳይ PDL አባል ሌላ ልዩ መተግበሪያ አለው. በሚሽከረከርበት ጊዜ የመግነጢሳዊ መስክ ባለአንድ አቅጣጫ እና ንፁህ harmonic oscillation (ምስል 2 ሐ) ለማግኘት እንደ ሃሳባዊ የፎቶ-ሆል ሙከራ ስርዓት ሆኖ ያገለግላል። ከሁሉም በላይ, ስርዓቱ በፎቶ-አዳራሽ ሙከራዎች ውስጥ ወሳኝ የሆነውን የናሙናውን ሰፊ ​​ቦታ ለማብራት የሚያስችል በቂ ቦታ ይሰጣል.

ተጽእኖ

አዲሱ የፎቶ አዳራሽ ዘዴ ከሴሚኮንዳክተሮች ውስጥ አስገራሚ መጠን ያለው መረጃ ለማውጣት ያስችለናል. በክላሲካል አዳራሽ ልኬት ከተገኙት ሶስት መለኪያዎች በተቃራኒ ይህ አዲስ ዘዴ በተሞከሩት በእያንዳንዱ የብርሃን መጠን ላይ እስከ ሰባት መለኪያዎችን ይሰጣል። ይህ የሁለቱም ኤሌክትሮኖች እና ቀዳዳዎች ተንቀሳቃሽነት; በብርሃን ተፅእኖ ውስጥ የተሸካሚዎቻቸው ትኩረት; እንደገና ማዋሃድ የህይወት ዘመን; እና ለኤሌክትሮኖች, ቀዳዳዎች እና አምፖላር ዓይነቶች ስርጭት ርዝመት. ይህ ሁሉ N ጊዜ ሊደገም ይችላል (ማለትም በሙከራው ውስጥ ጥቅም ላይ የዋለው የብርሃን መጠን መለኪያዎች ብዛት).

ይህ አዲስ ግኝት እና ቴክኖሎጂ ሴሚኮንዳክተር እድገቶችን በነባር እና በማደግ ላይ ባሉ ቴክኖሎጂዎች ለማራመድ ይረዳል። አሁን የሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶችን አካላዊ ባህሪያት በከፍተኛ ሁኔታ ለማውጣት የሚያስፈልጉ ዕውቀት እና መሳሪያዎች አሉን. ለምሳሌ የቀጣዩ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቴክኖሎጂ እድገትን ለማፋጠን ይረዳል፣ ለምሳሌ የተሻሉ የፀሐይ ፓነሎች፣ የተሻሉ ኦፕቶኤሌክትሮኒካዊ መሳሪያዎች፣ እና ለአርቴፊሻል ኢንተለጀንስ ቴክኖሎጂዎች አዳዲስ ቁሶች እና መሳሪያዎች።

የመጀመሪያው በጥቅምት 7፣ 2019 ውስጥ የታተመ መጣጥፍ IBM ምርምር ብሎግ.
ትርጉም: ኒኮላይ ማሪን (NikolayMarinበሩሲያ እና በሲአይኤስ አገሮች ውስጥ ዋና የቴክኖሎጂ ኦፊሰር IBM.

ምንጭ: hab.com