علماء اليابان يعثرون على "الإكسيتونات المظلمة" في الإلكترونيات

باستخدام أحد أكثر أنظمة التحليل الطيفي تقدمًا، تمكن فريقٌ من الفيزيائيين بمعهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا في اليابان من تحقيق إنجاز لم يسبقهم إليه أحد، إذ تمكنوا من تتبع "الإكسيتونات المظلمة" الغامضة داخل مواد ذرية رقيقة، حسب دراسة في دورية "نيتشر كوميونيكيشنز".

ويتوقع أن يحُدث اكتشاف مسار هذه الجسيمات الكمومية ثورة في تكنولوجيا المعلومات، وفي فهمنا للحوسبة الكمومية، وتخزين البيانات، والإلكترونيات الموفرة للطاقة، ويمهد الطريق لابتكارات وتطويرات جديدة في تقنيات المعلومات الكلاسيكية والكمية.

كما أنه يفتح المجال لدراسة أشباه الموصلات بصورة أكبر، ورؤيتها على المستوى الذري بشكل أفضل، وهو الأمر الذي سيسهم مستقبلاً في تحسين قدرة تلك الفئة من المواد التي تعد أحد المكونات الرئيسية بالصناعات التقنية الحديثة.

مصدر الصورة

جسيمات عجيبة

الإكسيتونات أشباه جسيمات تتكون من أزواج إلكترونات وفجوات، وهي من حالات للمادة الموجودة داخل أشباه الموصلات الرقيقة للغاية، كما أنها جسيمات فريدة تتميز بكونها محايدة كهربائياً، إذ إنها تتصرف بشكل مختلف تماماً داخل المواد، عن الجسيمات الأخرى مثل الإلكترونات سالبة الشحنة.

وفي تصريحاته الخاصة للجزيرة نت، يقول الدكتور ديفيد بيكون الباحث بمعهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا، وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة إن الإكسيتونات "جسيمات إلكترون-فجوة، مرتبطة ببعضها البعض بقوى كولوم".

ويضيف الباحث "وتعتبر الإكسيتونات فئة من المواد التي تُستخدم في العديد من الأجهزة التكنولوجية الحديثة، ومنها الأجهزة الإلكترونية البصرية، مثل الخلايا الكهروضوئية والخلايا الشمسية والأجهزة الباعثة للضوء مثل مصابيح الليد، وكذا الليزر والهواتف الذكية".

ويستكمل بأن "الإكسيتونات تتشكل بشكل عام من عملية الانتقال الالكترونية التي تتم في أشباه الموصلات، وذلك عندما تمتص أشباه الموصلات فوتونات الضوء، مما يتسبب في انتقال الإلكترونات سالبة الشحنة من مستوى طاقة أقل إلى مستوى أعلى، إذ يحُدث ذلك الانتقال أن يترك الإلكترون وراءه مساحات فارغة مشحونة إيجابياً تسمى الثقوب أو الفجوات في مستوى الطاقة المنخفض، حيث تتجاذب الإلكترونات والثقوب ذات الشحنة المعاكسة وتبدأ في الدوران حول بعضها البعض الأمر الذي ينتج عنه تشكل الإكسيتونات".

مصدر الصورة

الإكسيتونات المظلمة والمضيئة

ويوضج الدكتور بيكون أن الإكسيتونات تصنف بحسب دوران إليكتروناتها ومنها: الإكسيتونات المضيئة، والإكسيتونات المظلمة.

ويضيف "الإكسيتونات المضيئة تلك التي تتكون من إلكترونات وثقوب لها نفس الدوران الذي يأخذ الشكل المغزلي، إذ إنها تتشكل عند إثارة المادة ضوئيًا، ولأنها تتفاعل مع الضوء فإنها تظهر في جميع أشكال التحليل الطيفي البصري".

وعلى الجانب الآخر، فالإكسيتونات المظلمة لا تتفاعل مع الضوء مباشرة، ولذلك لا يمكن رؤيتها بسهولة في التجارب البصرية العادية.

ويضيف بيكون أن "نتائج دراستنا الأخيرة تُظهر أنه وبعد تكوّن الإكسيتونات المضيئة تتشكل سلسلة من الإكسيتونات المظلمة والتي يعتمد ترتيب ومعدل تكوّنها على درجة حرارة العينة، بالإضافة إلى قوة مضخة الإثارة".

وفي تصريح حصلت الجزيرة نت على نسخة منه، يؤكد البروفيسور كيشاف داني المؤلف الرئيسي للدراسة أهمية هذا الإنجاز قائلا "تتمتع الإكسيتونات المظلمة بإمكانيات هائلة كناقلات للمعلومات لأنها بطبيعتها أقل عرضة للتفاعل مع الضوء، وبالتالي أقل عرضة لتدهور خصائصها الكمومية".

ويقول "وبالتالي فإن هذا الاختفاء يجعل دراستها ومعالجتها صعبًا للغاية، لكننا سبق أن مهدنا الطريق لإنشاء الإكسيتونات المظلمة ومراقبتها ومعالجتها، في إنجاز سابق لنا بمعهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا عام 2020".

الوصول إلى الإكسيتونات المظلمة

وباستخدام نظام "مطيافية الانبعاث الضوئي المحددة زمنياً وزاوياً" الرائد عالمياً والموجود بمعهد أوكيناوا للتكنولوجيا المتقدمة، والذي يتضمن مصدر الأشعة فوق البنفسجية القصوى، تمكن الفريق من تتبع خصائص جميع الإكسيتونات بعد إنشاء الإكسيتونات المضيئة في أشباه موصلات. وبمرور الوقت تم تحديد كمية الزخم وحالة الدوران ومستويات الإلكترونات والثقوب في وقت واحد.

ويوضح شينغ تشو المؤلف المشارك الأول وطالب الدكتوراه بالوحدة، في تصريح حصلت الجزيرة نت على نسخة منه أنه "في مجال الإلكترونيات بشكل عام، يتم التلاعب بشحنة الإلكترون لمعالجة المعلومات".

ويضيف "أما في مجال الإلكترونيات الدورانية، فنستغل دوران الإلكترونات لنقل المعلومات. وفي نوع آخر من الإلكترونيات في الإكسيتونات المظلمة، والتي تُعرف بإلكترونيات الوادي أو الوديان، يُمكّننا التركيب البلوري للمواد الفريدة من ترميز المعلومات في حالات زخم مميزة للإلكترونات".

ويوضح تشو أن القدرة على استخدام إلكترونات الوادي للإكسيتونات المظلمة لنقل المعلومات تجعلها مرشحة واعدة لتقنيات الكم.

ومن المتوقع أن يحُدث اكتشاف مسار هذه الجسيمات الكمومية ثورة في تكنولوجيا المعلومات، وفي فهمنا للحوسبة الكمومية، وتخزين البيانات، والإلكترونيات الموفرة للطاقة.

ويمهد ذلك الطريق لابتكارات وتطويرات جديدة في تقنيات المعلومات الكلاسيكية والكمية، كما أنه يفتح المجال لدراسة أشباه الموصلات بصورة أكبر، ورؤيتها على المستوى الذري بشكل أفضل، وهو ما سيسهم مستقبلاً في تحسين قدرة تلك الفئة من المواد التي تعد أحد المكونات الرئيسية بالصناعات التقنية الحديثة.