ابر شبکه ها مدل سازی شدند

در قرن بیستم ، دنیا نوآوری ها و اکتشافات جدیدی را تجربه کرد. دیگر شگفتی آفرینی برای ساکنان این کره خاکی موضوعی عادی به نظر می رسد و هر روز شاهد تحول عظیمی در مجامع علمی هستیم.

کد خبر: ۱۴۰۸۶۳

از انقلاب انفورماتیک تا سفر به فضا و از گسترش شبکه های اینترنتی تا دنیای نانو، شرایطی را فراهم آورده اند که هر روز از زندگی ما انسان ها را به نوعی نسبت به گذشته متفاوت می کند. ظهور ابررایانه های نانو تکنولوژیکی با ساختار کوانتومی و سیستم های رباتیک پیشرفته از دیگر دستاوردهای انقلاب فناوری است که با گسترش تحقیقات محققان می توانیم شاهد جنبه های مختلف کاربرد فناوری در زندگی روزمره باشیم. ابر شبکه ها که اساس کار رایانه ها هستند می توانند در زمینه های مختلف استفاده شوند و در صورتی که بتوانیم توانایی های خاصی را در آنها ایجاد کنیم ، کاربرد آنها به مراتب افزایش خواهد یافت. محققان کشورمان مدل جدیدی برای ابرشبکه های نیمه رسانا طراحی کرده اند که رسانندگی الکترونیکی ابرشبکه ها را افزایش می دهند.

اختراع ترانزیستور در اواخر دهه 1940 مورد توجه بسیاری از محققان فیزیک و الکترونیک قرار گرفت و نتایج این تحقیقات تحول عظیمی را در علم الکترونیک به وجود آورد که در نتیجه ، کاربردهای وسیعی را از مواد نیمه رسانا مطرح کرد. در همین خصوص خواص اپتیکی این مواد نیز توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرد؛ به عنوان مثال می توان به کشف لیزرهای نیمه رسانا اشاره کرد که کاربردهای زیادی در صنعت دارد.
در سال 1969 ، 2 دانشمند ژاپنی به نامهای اساکی و تسو (Esaki, Tsu) پیشنهاد استفاده از ابرشبکه های نیمه رسانا را مطرح کردند که از تکرار لایه های مواد نیمه رسانا به وجود می آید. در ساخت اولین ابرشبکه های نیمه رسانا از آلومینیوم ، آرمینیک وگالیم یا گالیم و آرسنیک استفاده می شد. ساختارهای ابر شبکه که در ساخت وسایل الکترونیکی و لیزرها مورد استفاده قرار می گیرند کانال های رسانای موازی ایجاد می کنند و سبب افزایش قابلیت رسانایی و در نتیجه توان خروجی وسایل الکترونیکی می شوند.
در سال 1973 ، اساکی با کشف اثر تونل زنی در نیمه رساناهای P-n جایزه نوبل فیزیک سال را از آن خود کرد و در سال 1980 از ابرشبکه ها برای ساخت ترانزیستورها استفاده شد. در این ابرشبکه ها، الکترون از سرعت بالایی برخوردار است که با توجه به این ویژگی ، امروزه در ارتباطات بی سیم از این ترانزیستورها استفاده می شود. در همین سال محققان موفق شدند به فناوری ساخت لیزرهای نیمه رسانا و ردیاب های اپتیکی دست یابند که براساس ابرشبکه ها طراحی می شود و کاربرد بسیار زیادی در ارتباطات اپتیکی دارد. یکی از مهمترین کاربردهای ابرشبکه ها تولید لیزر مادون قرمز است که ساخت آن در آوریل سال 1994 به وسیله آزمایشگاه بل (Bell) گزارش شد. این لیزرها، لیزرهای آبشاری نامیده می شوند که امروزه کاربردهای فراوانی در صنعت و پزشکی دارند.
ساخت لیزرهای آبشاری سبب ارتباط بیشتر علم کوانتوم مکانیک و اپتیک شد. گفتنی است از آنجایی که ابرشبکه ها می توانند تحول عظیمی در حوزه های مختلف ایجاد کنند در سال 2000 نیز دو دانشمند روسی و امریکایی به دلیل گسترش ابرشبکه های نیمه رسانا در میکروالکترونیک و اپتیک موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شدند.

ساختارهایی متفاوت

ابرشبکه ها، نانوساختارهایی هستند که از روی هم قرار گرفتن لایه های نازک به ضخامت حدود 30 آنگستروم ساخته می شوند. دکتر ایوب اسماعیل پور، دانش آموخته رشته فیزیک دانشگاه علم و صنعت در این طرح تحقیقاتی با عنوان گذار فاز فلز عایق در زنجیره های اتمی و ابرشبکه های نیمه رسانا، گذر فاز فلز عایق در زنجیرهای اتمی یک بعدی و ابر شبکه های نیمه رسانا را مورد بررسی قرار داده و بر این اساس مدلی را برای ابرشبکه های نیمه رسانا طراحی کرده است که در آن ابرشبکه هایی که از چند لایه نازک ساخته شده اند در یک بعد و عمود بر لایه های آن ، رسانای الکتریکی هستند؛ یعنی الکترون می تواند به صورت عمود بر لایه های ابرشبکه تونل بزند و از میان آنها عبور کند.
اگر این نوع ابرشبکه ها دارای لایه های بی نظم نازک زیادی باشند، رسانایی الکتریکی ندارند؛ اما در این طرح ابداعی ، ابررساناها در طول بسیار بلند هم رسانا بوده و الکترون می تواند هدایت الکتریکی را در شبکه انجام دهد. عبور الکترون از لایه های ابرشبکه سبب تولید امواج مادون قرمز می شود؛ بنابراین مهمترین کاربرد این ابرشبکه ، ساخت لیزرهای آبشاری است که نسبت به لیزرهای دیگر از توان خروجی خیلی بالایی برخوردار است.
علاوه بر این ، لیزرهای آبشاری در دمای معمولی کار می کنند و نیازی به خنک کردن ندارند. با استفاده از ابرشبکه ها می توان در محدوده وسیعی از طول موج ها، نور این لیزرها را تغییر داد؛ بنابراین این لیزرها قابل تنظیم هستند. لیزری که با این ساختارها تولید می شود تک فرکانس و دارای قدرت فوق العاده ای است.
هزینه ساخت آن نسبت به لیزرهای دیگر پایین و براحتی قابل حمل و جابه جایی است ؛ بنابراین در صنعت و پزشکی بسیار اهمیت دارد. باتوجه به قابل تنظیم بودن طول موج ، از این لیزرها برای مشاهده آلودگی های زیست محیطی و تشخیص نوع گازهای آلاینده استفاده می شود.

غلبه بر بی نظمی ها

به گفته اسماعیل پور، از ترانزیستورهای دارای سرعت بالا که از ابرشبکه ها ساخته می شوند، در ماهواره ها برای برقراری ارتباط رادیویی و همچنین در ایستگاه های اصلی ارتباطات سیار برای برقراری امکان تماس از طریق تلفن های همراه استفاده می شود.
تعداد لایه هایی که برای ساخت وسایل الکترونیکی و اپتیکی مورد استفاده قرار می گیرد حدود 20 - 70 لایه است. اگر تعداد لایه های ابر شبکه زیاد باشد به دلیل ایجاد بی نظمی در آنها، الکترون انرژی خود را در حین عبور از لایه ها از دست می دهد و متوقف می شود. در مدلی که به عنوان همبستگی بلندبرد در بی نظمی ابرشبکه ها ارائه شده است ، الکترون می تواند در لایه های خیلی زیاد نیز حرکت کند.

کاربرد صنعتی ابرشبکه ها

در صنعت نیز برای نظارت هوشمندانه بر انجام مراحل مختلف صنعتی و ساخت رادارهای هشداردهنده برای خودروها می توان از ابرشبکه هایی استفاده کرد که در صورت نزدیک شدن خودروها به همدیگر هشدار می دهد و مانع برخورد آنها به هم می شود.
در پزشکی از لیزرهای آبشاری که با استفاده از ابرشبکه ها ایجاد می شوند برای تشخیص سرطان روده بزرگ ، درمان زخم معده و ساخت آنالیزورهای تنفسی استفاده می شود.
در صنعت هواپیمایی برای ایمنی هواپیماها از سیستم های مقابله کننده مادون قرمز که سبب گمراه شدن ردیاب ها می شود، کمک گرفته می شود. این سیستم ها به یک منبع نور با توان بالا نیاز دارند که بتواند امواجی با طول موج ثابت و مشخصی را منتشر کند. منابع نوری که در حال حاضر برای گمراه کردن ردیاب ها از آنها استفاده می شود گران قیمت و سنگین وزن هستند، بنابراین تعداد محدودی از هواپیماها به چنین سیستمی مجهز هستند؛ اما با جایگزین شدن لیزرهای آبشاری ابرشبکه ها به عنوان منبع نوری ، همه هواپیماها می توانند از این سیستم برخوردار شوند.
در صنعت الکترونیک نیز از این ساختارها برای ساخت ترانزیستورها و افزایش سرعت آنها استفاده می شود. این در حالی است که از زنجیره های یک بعدی بی نظم مانند دی.ان.ای که براساس ساختار ابرشبکه ها طراحی می شوند نیز می توان در صنعت برای ساخت چسب و ساخت ماشین های مولکولی استفاده کرد و بسیاری از مشکلاتی را که در این زمینه با آن مواجه بوده ایم ، از میان برداشت

در این مدل الکترون ها دارای طیف پیوسته ای از انرژی ها هستند و می توانند از ابرشبکه عبور کنند. یعنی این نوع ابرشبکه فقط طیف پیوسته مشخصی از انرژی ها را عبور می دهد و بقیه را فیلتر می کند.
همچنین مدل دیگری برای ابرشبکه ها ارائه شده است که در آن 2انرژی وجود دارد که به ازای آنها ابرشبکه دارای رسانندگی الکتریکی است . به این معنی که فقط الکترون هایی می توانند از ابرشبکه عبور کنند که دارای 2 انرژی خاص هستند. با استفاده از این مدل می توان ابرشبکه هایی را طراحی کرد که از آنها به عنوان فیلترهای انرژی و فرکانس استفاده می شود. اگر طیف پیوسته ای از فرکانس ها به آن تابیده شود، ابرشبکه فقط 2 فرکانس را انتخاب می کند و از خود عبور می دهد. این دو فرکانس نیز به ساختار ابرشبکه بستگی دارد؛ بنابراین می توان ابرشبکه ای ساخت که فرکانس دلخواهی را از خود عبور دهد. این نوع ابرشبکه ها از اهمیت بسیار زیادی در الکترونیک و اپتیک برخوردارند.
مهمترین دستگاهی که برای ساخت ابرشبکه ها مورد استفاده قرار می گیرد، دستگاه Molecular beam Epitaxy) MBE) است. این دستگاه آنقدر دقیق است که می تواند اتمها را در کنار یکدیگر قرار دهد. پیش بینی می شود با استفاده از این دستگاه بتوان زنجیره های یک بعدی و ساختارهای مشابه دی.ان.ای و همچنین ابرشبکه نیمه رسانایی ساخت که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد.
گفتنی است این دستگاه گران قیمت بوده و تنها یک نمونه از آن در ایران وجود دارد.

کاربرد ابرشبکه ها

به گفته اسماعیل پور، از شبکه های ابررسانا می توان در زمینه های بسیار زیادی استفاده کرد؛ بنابراین مدل سازی این شبکه ها با هدف افزایش کارآیی آنها می تواند راهکارهای جدیدی را پیش روی محققان قرار دهد.
جالب است بدانید در نظارت بر اجرای قوانین و شناسایی مواد منفجره یا تشخیص محصولات دارویی غیرمجاز و غیرقانونی نیز می توان از این فناوری استفاده کرد؛ همچنین در صنایع نظامی مانند طراحی و ساخت ردیاب های قابل حمل در میدان های جنگی و ردیابی گازهای سمی یا سموم بیولوژیکی نیز می توان از نتایج به دست آمده از این تحقیقات استفاده کرد.
اسماعیل پور در پایان خاطرنشان کرد که این نوع ابرشبکه ها با تعداد لایه های کمتر در کشورهای پیشرفته ساخته می شوند، بنابراین قدرت خروجی آنها نسبت به مدل ابداعی پایین تر است ؛ اما با استفاده از شبیه سازی رایانه ای ارائه شده در این طرح تحقیقاتی می توان توان خروجی این لیزرها را نسبت به انواع موجود در کشورهای پیشرفته تا حد نسبتا زیادی افزایش داد. نتایج این تحقیق در نشریه معتبر انجمن فیزیک امریکا (Physical Review) به چاپ رسیده است.