تونل زنی کوانتومی چیست؟
در دنیای کلاسیک، ذرات نمی توانند از مانعی که انرژی کافی ندارند عبور کنند، اما در دنیای کوانتومی، الکترون ها می توانند از میان مانع عبور کنند حتی اگر انرژی شان کمتر از ارتفاع مانع باشد. این پدیده، «تونل زنی کوانتومی» نام دارد و به دلیل رفتار موجی ذرات و مفهوم «تابع موج» رخ می دهد.
تابع موج احتمال حضور ذره را در مکان های مختلف نشان می دهد. اگر این احتمال در سوی دیگر مانع غیرصفر باشد، ذره می تواند «تونل» بزند و عبور کند. در حافظه های فلش و SSD، همین پدیده اجازه می دهد الکترون ها از لایه های عایق بسیار نازک عبور کنند و داده ها ذخیره شوند.
| ویژگی تونل زنی | تأثیر در حافظه |
|---|---|
| عبور ذره از مانع | نوشتن و پاک کردن داده ها |
| رفتار موجی ذرات | استفاده از لایه های نازک برای ذخیره سازی |
| احتمال غیرصفر عبور | افزایش سرعت و کاهش مصرف انرژی |
تاریخچه و پیشگامان
تونل زنی کوانتومی در دهه 1920 مطرح شد و در سال 1928 توسط جورج گاموف برای توضیح واپاشی هسته ای استفاده شد. ذرات آلفا از هسته ی اتم عبور می کردند حتی وقتی انرژی کافی نداشتند.
دهه های بعد، پژوهشگران بزرگی مانند لئو ایساکی، ایوار گیور و برایان جوزفسون، تونل زنی را در نیمه رساناها و ابررساناها بررسی کردند. این تحقیقات به تولید دیود تونلی و ترانزیستورهای فلش منجر شد.
| سال | رویداد | دستاورد |
|---|---|---|
| 1928 | تحقیق گاموف | توضیح واپاشی هسته ای |
| 1958 | تحقیقات ایساکی و گیور | کاربرد در نیمه رسانا |
| 1973 | جایزه نوبل | شناخت تونل زنی و اثرات جوزفسون |
تونل زنی کوانتومی در حافظه های فلش و SSD
هر سلول حافظه در فلش و SSD یک ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) با لایه ی اکسید بسیار نازک دارد. ولتاژ اعمال شده باعث می شود الکترون ها از طریق تونل زنی وارد دروازه ی شناور شوند و داده ها به صورت بیت 1 و 0 ذخیره شود. هنگام پاک کردن داده، ولتاژ معکوس باعث بازگشت الکترون ها می شود.
این فرآیند بدون قطعات مکانیکی انجام می شود و حافظه های فلش را سریع، کم مصرف و مقاوم می کند.
از EEPROM تا 3D NAND: تحول ذخیره سازی
توسعه اولیه ی EEPROM و NAND Flash توسط فوجیو ماسوکا و شرکت توشیبا انجام شد. حافظه های فلش با گذشت زمان به ساختارهای سه بعدی NAND (3D NAND) ارتقا یافتند و ظرفیت و دوام آن ها افزایش یافت. گوشی های هوشمند، SSD و سایر دستگاه های مدرن همگی از این فناوری بهره می برند.
| نوع حافظه | فناوری تونل زنی | ویژگی ها |
|---|---|---|
| EEPROM | فاولر–نوردهایم | نگهداری داده بدون انرژی دائم |
| NAND Flash دو بعدی | تونل زنی | ظرفیت و دوام بالا |
| 3D NAND | تونل زنی چندلایه | سرعت، پایداری و میلیون ها سلول در میلی متر مکعب |
نوبل فیزیک 2025 و آینده تونل زنی
برندگان نوبل فیزیک 2025 پژوهشگرانی بودند که روش های کنترل دقیق تر تونل زنی در نیمه رساناها را توسعه دادند. این فناوری باعث تولید تراشه های سریع تر و کم مصرف تر شد و پایه حافظه های آینده را شکل داد.
دانشمندان اکنون به دنبال ترکیب تونل زنی کوانتومی با مواد دو بعدی مانند گرافن و MoS₂ هستند تا حافظه های سریع تر و پایدارتر بسازند. حافظه های کوانتومی واقعی که اطلاعات را در حالت برهم نهی ذخیره می کنند، نیز در حال توسعه هستند.
تونل زنی کوانتومی، که زمانی تنها یک پدیده نظری بود، اکنون ستون فقرات فناوری های ذخیره سازی مدرن است. از فلش مموری کوچک تا SSDهای پیچیده، همه به این پدیده وابسته اند. هر بار که داده ای را ذخیره یا بازیابی می کنید، از یکی از شگفت انگیزترین جلوه های فیزیک کوانتوم بهره می برید.
0 نظر ثبت شده
0 نظر ثبت شده
تمام حقوق محفوظ است
ثبت یک نظر