تصوير الفنان لمحث محث متعدد الطبقات - الجرافين (مركز لولبي أزرق) يعتمد على الحث الحركي. تُظهر صور الخلفية أسلافها التي تعتمد على الحث المغنطيسي ، وهو مفهوم أدنى إلى حد كبير وأقل كفاءة للإلكترونيات الدقيقة. (بيتر ألن / يو سي سانتا باربرا)

تم كسر الحاجز الأخير للإلكترونيات المصغرة للغاية ، وذلك بفضل نوع جديد من الحث

أحد العناصر الثلاثة الأساسية للدوائر أصبح أصغر كثيرًا للمرة الأولى ، فيما يعد بتحقيق انفراج بقيمة تريليون دولار.

في السباق للحصول على التكنولوجيا المتطورة باستمرار ، هناك نوعان من القدرات التقنية ذات الصلة التي تدفع عالمنا إلى الأمام: السرعة والحجم. هذه مرتبطة ، نظرًا لأن الجهاز أصغر ، تقل المسافة التي يجب أن تسافر بها الإشارة الكهربائية التي تقود جهازك. نظرًا لأننا تمكنا من خفض أرق السيليكون ، فقد أصبحت عناصر دارة الطباعة أصغر حجمًا ، واستحدثت ترانزستورات أصغر حجمًا بشكل كبير ، وأصبحت المكاسب في حساب السرعة والطاقة وتناقص حجم الجهاز جنبًا إلى جنب. ولكن في الوقت نفسه ، تأتي هذه التطورات على قدم وساق ، حيث ظل عنصر واحد من عناصر الدائرة الأساسية - المحاث - هو نفسه تمامًا. يوجد في كل شيء بدءًا من أجهزة التلفزيون إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى الهواتف الذكية إلى أجهزة الشحن اللاسلكية وأجهزة الراديو والمحولات ، وهو أحد المكونات الإلكترونية التي لا غنى عنها في الوجود.

منذ اختراع مايكل فاراداي عام 1831 ، ظل تصميمهم دون تغيير. حتى الشهر الماضي ، أي عندما أظهر فريق جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا بقيادة كاوستاف بانيرجي نوعًا جديدًا من المحث. من دون قيود التصميم الأصلي للمحث ، يجب أن يسمح بإحداث تقدم جديد في التصغير والسرعة ، مما يمهد الطريق لعالم أكثر اتصالًا.

كان أحد أوائل تطبيقات قانون فاراداي التعريفي هو الإشارة إلى أن لفائف الأسلاك ، التي من شأنها أن تخلق مجال مغناطيسي في الداخل ، يمكن أن تستقطب مادة ، مما يؤدي إلى تغيير في مجالها المغناطيسي الداخلي. عندئذٍ يحفز هذا الحقل المتغير تيارًا في الملف الموجود على الجانب الآخر من المغناطيس ، مما يؤدي إلى انحراف الإبرة (على اليمين). المحاثات الحديثة لا تزال تعتمد على هذا المبدأ نفسه. (مستخدم ويكيميديا ​​كومنز Eviatar Bach)

الطريقة التقليدية لعمل المحاثات هي واحدة من أبسط التصاميم الممكنة: ملف بسيط من الأسلاك. عندما تمر بتيار عبر حلقة أو لفائف من الأسلاك ، فإنها تخلق مجالًا مغناطيسيًا من خلال المركز. لكن وفقًا لقانون فاراداي التعريفي ، فإن تغيير المجال المغناطيسي يؤدي إلى توليد تيار في الحلقة التالية ، وهو تيار يعارض التيار الذي تحاول إنشاؤه. إذا قمت بإنشاء كثافة أكبر لفائف ، أو (حتى أفضل) وضع مجموعة أساسية من المواد الممغنطة داخل المحث ، يمكنك زيادة محاثة جهازك بشكل كبير. هذه النتائج في المحاثات التي هي فعالة جدا ، ولكن أيضا التي تتطلب أن تكون كبيرة جدا جسديا. على الرغم من جميع أوجه التقدم التي أحرزناها ، فإن القيد الأساسي لهذا النمط من التصميم يعني أنه كان هناك حد لمدى قدرة المحث على الوصول.

على الرغم من كل الثورات التي جمعت بين القرنين التاسع عشر والعشرين والعشرين والعشرين في مجال الإلكترونيات ، فإن المحث المغناطيسي التقليدي ، من حيث المفهوم ، لا يزال بدون تغيير تقريبًا عن تصاميم فاراداي الأصلية. (صراع الأسهم)

التطبيقات ، ومع ذلك ، هائلة. جنبا إلى جنب مع المكثفات والمقاومات ، المحاثات هي واحدة من العناصر السلبية الثلاثة التي هي أسس جميع الالكترونيات. قم بإنشاء تيار كهربائي بالحجم والتردد المناسبين ، وستقوم بإنشاء محرك تحريض. مرّر النواة المغناطيسية للداخل والخارج عبر الملف ، وستولد الكهرباء من حركة ميكانيكية. أرسل كلاً من تيارات التيار المتردد والتيار المستمر (DC) وتيارات التيار المستمر (DC) إلى أسفل دائرتك ، وسيحظر المحث التيار المتردد بينما يسمح للتيار المستمر بالمرور. يمكنهم فصل الإشارات بترددات مختلفة ، وعند استخدام مكثف مع محث ، يمكنك إنشاء دائرة موالفة ، ذات أهمية قصوى في أجهزة الاستقبال التلفزيوني والإذاعي.

تُظهر الصورة الحبوب الكبيرة لمواد تخزين الطاقة العملية ، وهي تيتانات الكالسيوم والنحاس (CCTO) ، والتي تعد واحدة من أكثر المكثفات الفائقة كفاءة وعملية في العالم. كثافة. تم تكثيف المكثفات والمقاومات تمامًا ، لكن المحاثات تتخلف عن الركب. (ر. ك. باندي / جامعة ولاية تكساس)

ولكن على الرغم من أن المقاومات قد تم تصغيرها باستخدام ، على سبيل المثال ، تطوير مقاوم تحميل السطح ، وأفسدت المكثفات المواد للمواد المكثفة الفائقة التي تقترب من الحد النظري ، فقد ظل التصميم الأساسي للمحثات كما هو على مدار القرون. على الرغم من اختراعها في عام 1831 ، لم يتغير شيء عن تصميمها الأساسي منذ ما يقرب من 200 عام. إنها تعمل على مبدأ الحث المغنطيسي ، حيث يتم استخدام التيار ، ولفائف الأسلاك ، ومجموعة أساسية من المواد الممغنطة بالترادف.

ولكن هناك مقاربة أخرى ، من الناحية النظرية ، يمكن أن يتبعها المحاثون. هناك أيضًا ظاهرة تُعرف باسم الحث الحركي ، حيث بدلاً من وجود مجال مغنطيسي متغير يحول تيارًا معاكسًا كما هو الحال في الحث المغنطيسي ، فإن القصور الذاتي للجزيئات التي تحمل التيار الكهربائي نفسه - مثل الإلكترونات - يعارض حدوث تغيير في حركتها.

بينما يتدفق التيار بشكل منتظم عبر موصل ، فإنه يطيع قانون نيوتن لجسم (التهم الفردية) المتبقية في حركة موحدة ما لم يتم التصرف بناء عليه من قبل قوة خارجية. ولكن حتى لو تم التصرف عليها بواسطة قوة خارجية ، فإن القصور الذاتي لديهم يقاوم هذا التغيير: المفهوم الكامن وراء الحث الحركي. (مستخدمي ويكيميديا ​​كومنز lx0 / Menner)

إذا كنت تتخيل وجود تيار كهربائي كسلسلة من حاملات الشحن (مثل الإلكترونات) تتحرك جميعها بثبات ، على التوالي ، وبسرعة ثابتة ، يمكنك أن تتخيل ما الذي يتطلبه تغيير هذا التيار: قوة إضافية من نوع ما. سيحتاج كل من هذه الجسيمات إلى قوة للعمل عليها ، مما يتسبب في تسريعها أو تباطؤها. نفس المبدأ الذي يخلق أشهر قوانين نيوتن للحركة ، F = ma ، يخبرنا أننا إذا أردنا تغيير حركات هذه الجسيمات المشحونة ، نحتاج إلى ممارسة قوة عليها. في هذه المعادلة ، فإن كتلها أو m في المعادلة هي التي تقاوم التغيير في الحركة. هذا هو المكان الذي يأتي منه الحث الحركي. من الناحية الوظيفية ، لا يمكن تمييزه عن الحث المغنطيسي ، إنه مجرد أن الحث الحركي لم يكن كبيرًا من الناحية العملية إلا في ظل الظروف القاسية: إما في الموصلات الفائقة أو في دوائر عالية التردد للغاية.

لا يزال الحث المعدني على الرقاقة ، المركز ، يعتمد على مفهوم الحث المغناطيسي المستوحى من فاراداي. هناك حدود لفعاليتها ومدى إمكانية تصغيرها ، وفي أصغر الإلكترونيات ، يمكن لهذه المحاثات أن تستهلك كامل 50٪ من إجمالي المساحة المتاحة للمكونات الإلكترونية. (H. Wang et al. ، مجلة أشباه الموصلات ، 38 ، 11 (2017))

في الموصلات المعدنية التقليدية ، فإن الحث الحركي لا يكاد يذكر ، وبالتالي لم يتم تطبيقه في الدوائر التقليدية من قبل. لكن إذا أمكن تطبيقه ، فسيكون ذلك تقدمًا ثوريًا في التصغير ، لأنه على عكس الحث المغنطيسي ، فإن قيمته لا تعتمد على مساحة سطح المحث. بعد إزالة هذا القيد الأساسي ، قد يكون من الممكن إنشاء محث حركي أصغر بكثير من أي محث مغناطيسي صنعناه على الإطلاق. وإذا أمكننا هندسة ذلك التقدم ، فربما يمكننا أن نخطو القفزة الكبيرة القادمة إلى الأمام في صورة مصغرة.

أحدثت المحاثات المعدنية الموجودة على الرقاقة ثورة في إلكترونيات التردد اللاسلكي منذ عقدين من الزمن ، ولكن هناك قيود متأصلة في قابليتها للتطوير. مع الاختراقات الكامنة في استبدال الحث المغناطيسي مع الحث الحركي ، قد يكون من الممكن هندسة ثورة أخرى أكبر. (صراع الأسهم)

هنا يأتي عمل مختبر أبحاث النانو للإلكترونيات النانوية ومعاونيه. من خلال استغلال ظاهرة الحث الحركي ، تمكنوا ، للمرة الأولى ، من إثبات فعالية نوع مغو مختلف اختلافاً جوهرياً لا يعتمد على مغناطيس فاراداي الحث. بدلاً من استخدام المحاثات المعدنية التقليدية ، استخدموا الجرافين - الكربون المرتبط معًا في تكوين شديد الصلابة ، شديد الموصلية يحتوي أيضًا على محاثة حركية كبيرة - لصنع أعلى مادة للكثافة الحثية على الإطلاق. في ورقة نشرت الشهر الماضي في مجلة Nature Electronics ، أوضحت المجموعة أنه إذا قمت بإدخال ذرات البروم بين طبقات مختلفة من الجرافين ، في عملية تعرف باسم الإقحام ، يمكنك أخيرًا إنشاء مادة تجاوز فيها الحث الحركي الحد النظري لفاراداي التقليدية اداة الحث.

لقد تجاوز تصميم الجرافين الجديد للمحث الحركي (يمين) أخيرًا المحاثات التقليدية من حيث كثافة الحث ، كما توضح اللوحة المركزية (باللون الأزرق والأحمر ، على التوالي). (J. Kang et al. ، Nature Electronics 1، 46–51 (2018))

تحقق بالفعل 50 ٪ من الحث لحجمها ، بطريقة قابلة للتطوير من شأنها أن تسمح لعلماء المواد بتقليل هذا النوع من الأجهزة إلى أبعد من ذلك. إذا تمكنت من جعل عملية الإقحام أكثر كفاءة ، وهو بالضبط ما يعمل عليه الفريق الآن ، فيجب أن تكون قادرًا على زيادة كثافة الحث أكثر. حسب بانيرجي ،

لقد صممنا بشكل أساسي مادة جديدة متناهية الصغر لتقديم "الفيزياء الخفية" السابقة من الحث الحركي في درجة حرارة الغرفة وفي مجموعة من ترددات التشغيل المستهدفة للاتصالات اللاسلكية من الجيل التالي.

مع وجود الأجهزة المتصلة وإنترنت الأشياء لتصبح مؤسسة بمليارات الدولارات بحلول منتصف عام 2020 ، فإن هذا النوع الجديد من الحث يمكن أن يكون بالضبط نوع من الثورة التي كانت الصناعة الناشئة تطمح إليها. يمكن أن تكون تقنيات الاتصالات وتخزين الطاقة والاستشعار من الجيل التالي أصغر وأخف وزنا وأسرع من أي وقت مضى. وبفضل هذه القفزة الكبيرة في المواد متناهية الصغر ، قد نتمكن أخيرًا من تجاوز التكنولوجيا التي جلبها فاراداي إلى عالمنا منذ حوالي 200 عام.

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف"