Πιο γρήγορα ηλεκτρονικά, υπόσχεται μια νέα θεωρία

Από την ιστοσελίδα ABC News, 27 Απριλίου 2004

Μια νέα θεωρία για το πως συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια σε εξαιρετικά μικρές συσκευές απειλεί να ανατρέψει μία από τις αρχές της κβαντικής ηλεκτρονικής, λέει μία διεθνής ομάδα ερευνητών.

Η θεωρία εξηγεί τα ανώμαλα συμπεράσματα σε ένα πείραμα, που έγινε σχεδόν 10 χρόνια πριν. Εάν επαληθευτεί, η νέα θεωρία θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν καλύτερα την επόμενη γενιά των πολύ γρήγορων υπολογιστών.

Ο θεωρητικός φυσικός Mukunda Das του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας στην Καμπέρα και συνάδελφοι του  ανέφεραν τη νέα θεωρία τους στο περιοδικό Physical Review Letters.

"Αυτή η έρευνα είναι σχετική με τα τρανζίστορ στα τσιπ των υπολογιστών, που χρειάζονται να είναι μικρότερα, γρηγορότερα και με λιγότερο θόρυβο", είπε ο Das.

Ο ηλεκτρονικός "θόρυβος" προκαλείται από ένα κυμαινόμενο ρεύμα και διακόπτει τη ροή των στοιχείων, παράγοντας σφάλματα στους υπολογιστές.

"Όσο μικρότερο είναι το σύστημα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο θόρυβος", λέει ο ίδιος. "Το ρεύμα μεταφέρει τις πληροφορίες αλλά ο θόρυβος εν συνεχεία τις μειώνει. Έτσι το ζήτημα είναι πώς να ελέγξουμε το θόρυβο, για να εξάγουμε περισσότερες πληροφορίες από το ρεύμα".

Η κυρίαρχη θεωρία, που προσπαθεί να εξηγήσει πώς  συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια στις πολύ μικρές συσκευές, είναι αυτή που αναπτύχθηκε από δύο ερευνητές της IBM, τον Rolf Landauer και το Markus Böttiker στη δεκαετία του '80.

Το πρόβλημα όμως είναι ότι η θεωρία φάνηκε ανίκανη να εξηγήσει ορισμένα πειραματικά αποτελέσματα, που πάρθηκαν μερικά χρόνια αργότερα, με τις επαφές κβαντικού σημείου (πολύ βραχείς σωλήνες που επιτρέπουν σε  χωριστά ηλεκτρόνια να τα διαρρέουν ταυτόχρονα).

Η θεωρία Landauer - Böttiker πρόβλεπε ότι αν προστεθεί ένα άλλο κανάλι για να αυξήσει το ποσό ρεύματος που ρέει μέσα από αυτό, ο θόρυβος θα αυξανόταν σταδιακά.

Αλλά οι παρατηρήσεις σε ένα πείραμα του 1995, από μια ομάδα που καθοδηγήθηκε από το Mikhail Reznikov στο Επιστημονικό ίδρυμα Weizmann του Ισραήλ, που δημοσιεύθηκε επίσης στο Physical Review Letters, αποκάλυψε ότι ο θόρυβος ανέβηκε ή "κορυφώθηκε", όταν προστέθηκε ένα κανάλι. Αλλά μετά μειώθηκε πάλι.

Η θεωρία Landauer - Böttiker δεν πρόβλεψε αυτόν τον θόρυβο που "κορυφώθηκε".  Όταν ο Das και η ομάδα του προσπάθησαν να βρουν γιατί γινόταν αυτό, βρήκαν διάφορα προβλήματα με τη θεωρία.

Παραδείγματος χάριν, ο DAS και η ομάδα του διαφώνησαν με την υπόθεση ότι η συμπεριφορά ενός μεμονωμένου ηλεκτρονίου θα μπορούσε να προβλεφθεί, χωρίς την εκτίμηση της παρουσίας άλλων ηλεκτρονίων γύρω από αυτό.

Τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν όπως τα αυτοκίνητα

Ας εξετάσουμε το ανάλογο παράδειγμα ενός δρόμου γεμάτου με διερχόμενα αυτοκίνητα. Ένα κβαντικό σύρμα γεμάτο από ηλεκτρόνια θα είχε ένα σταθερό ρεύμα έντονα αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονίων, που δεν παράγουν οποιοδήποτε θόρυβο, όπως μια λεωφόρος με πολλά αυτοκίνητα.

Αλλά μόλις προστεθεί ένα άλλο κανάλι, θα ήταν σαν να είχε προστεθεί μια πάροδος στην λεωφόρο. Αρχικά, τα αυτοκίνητα (ή τα ηλεκτρόνια) θα χωρίζονταν με ακανόνιστα διαστήματα. Θα αλληλεπιδρούσαν πάρα πολύ ασθενώς, συμπεριφεμένα περισσότερο σαν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτό θα προκαλούσε διακυμάνσεις στο ρεύμα και πολύ θόρυβο. Αλλά καθώς το κανάλι θα γέμιζε με ηλεκτρόνια, ο θόρυβος θα μειωνόταν πάλι.

Ενώ αυτή η ιδέα ήταν γνωστή, ποτέ πριν δεν εφαρμόστηκε στην κβαντική ηλεκτρονική.

Συμπεριλαμβάνοντας αυτή την έννοια στη θεωρία, ο Das και η ομάδα του κατόρθωσαν να εξηγήσουν τα τις τις πειραματικές παρατηρήσεις του Reznikov και τα πειραματικά αποτελέσματα που δεν συμφωνούσαν με τη θεωρία Landauer - Böttiker.

"Έχουμε δείξει ότι μια βασική αρχή της φυσικής στερεάς κατάστασης δεν είναι έγκυρη", λέει ο Das.

Ο καθηγητής Alex Hamilton από το Πανεπιστήμιο της Νότιας Νέας Ουαλίας στο Σύδνεϋ, που κάνει παρόμοια πειράματα με τον Reznikov, επιδοκίμασε τα συμπεράσματα.

"Αν κατανοήσουμε καλύτερα το θόρυβο μπορούμε να δοκιμάσουμε την κατασκευή κυκλωμάτων με λιγότερο θόρυβο. Αυτός σημαίνει ότι θα έχουμε τα λιγότερα σφάλματα στους υπολογιστές, όπως κι όταν ακούτε μουσική θα έχετε λιγότερο θόρυβο", είπε.

Ο ίδιος τόνισε ότι ο Das είχε να αντιμετωπίσει μια δυσπιστία από την επιστημονική κοινότητα,  που είχε επιλέξει τους περιορισμούς της θεωρίας Landauer - Böttiker.

Ο He-Bi Sun, από το Πανεπιστήμιο Queensland και του κέντρου για την Κβαντική Τεχνολογία Υπολογιστών, είπε ότι πείστηκε από τη νέα θεωρία. "Υπάρχουν αποδείξεις ότι η θεωρία Landauer - Böttiker δεν είναι πάντα σωστή. Χρειάζεται όμως θάρρος για να πείσετε τον κόσμο ότι δεν ίσχυε η θεωρία πάντα".

Από την άλλη ο Markus Böttiker, που βοήθησε να αναπτυχθεί η θεωρία του Landauer και είναι τώρα στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης στην Ελβετία, δεν δέχτηκε την νέα άποψη. "Σε μια κλίμακα από 1-10, θα της έδινα μηδέν", τόνισε.