نیا مواد کمپیوٹر اور الیکٹرانکس میں توانائی کی کھپت کو کم کرنے کی کلید رکھتا ہے: مینیسوٹا یونیورسٹی کے محققین نے پہلی بار منفرد سیمیٹل کی پتلی فلم بنائی

مطالعہ میں شائع ہوا ہے۔ نیچر کمیونیکیشنز، ایک ہم مرتبہ نظرثانی شدہ سائنسی جریدہ جو قدرتی علوم اور انجینئرنگ کا احاطہ کرتا ہے۔

جیسا کہ ریاستہائے متحدہ کے حالیہ CHIPS اور سائنس ایکٹ سے ثبوت ملتا ہے، سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ اور معاونت کی تحقیق کو بڑھانے کی ضرورت ہے جو ہر جگہ الیکٹرانک آلات کو طاقت دینے والے مواد کو تیار کرنے میں مصروف ہے۔ جبکہ روایتی سیمی کنڈکٹرز آج کے کمپیوٹر چپس کے پیچھے ٹیکنالوجی ہیں، سائنسدان اور انجینئر ہمیشہ نئے مواد کی تلاش میں رہتے ہیں جو الیکٹرانکس کو بہتر، چھوٹا اور زیادہ موثر بنانے کے لیے کم توانائی کے ساتھ زیادہ طاقت پیدا کر سکیں۔

ان نئے اور بہتر کمپیوٹر چپس کے لیے ایسا ہی ایک امیدوار کوانٹم مواد کی ایک کلاس ہے جسے ٹاپولوجیکل سیمیٹلز کہتے ہیں۔ ان مواد میں الیکٹران مختلف طریقوں سے برتاؤ کرتے ہیں، جس سے مواد کو منفرد خصوصیات ملتی ہیں جو الیکٹرانک آلات میں استعمال ہونے والے عام انسولیٹروں اور دھاتوں میں نہیں ہوتی ہیں۔ اس وجہ سے، ان کو اسپنٹرونک آلات میں استعمال کرنے کے لیے تلاش کیا جا رہا ہے، جو روایتی سیمی کنڈکٹر آلات کا متبادل ہے جو ڈیٹا کو ذخیرہ کرنے اور معلومات پر کارروائی کرنے کے لیے برقی چارج کے بجائے الیکٹران کے اسپن کا فائدہ اٹھاتے ہیں۔

اس نئی تحقیق میں، مینیسوٹا یونیورسٹی کے محققین کی ایک بین الضابطہ ٹیم کامیابی کے ساتھ اس طرح کے مواد کو پتلی فلم کے طور پر ترکیب کرنے میں کامیاب رہی – اور یہ ثابت کرتی ہے کہ اس میں کم توانائی کی کھپت کے ساتھ اعلی کارکردگی کی صلاحیت ہے۔

“یہ تحقیق پہلی بار ظاہر کرتی ہے کہ آپ مقناطیسی ڈوپنگ حکمت عملی کا استعمال کرتے ہوئے ایک کمزور ٹاپولوجیکل انسولیٹر سے ٹاپولوجیکل سیمیٹل میں منتقلی کر سکتے ہیں،” جیان پنگ وانگ نے کہا، مقالے کے ایک سینئر مصنف اور ایک ممتاز میک نائٹ یونیورسٹی کے پروفیسر اور رابرٹ ایف۔ ہارٹ مین چیئر مینیسوٹا یونیورسٹی کے الیکٹریکل اور کمپیوٹر انجینئرنگ کے شعبہ میں۔ “ہم اپنے برقی آلات کی زندگی کو بڑھانے اور ساتھ ہی ساتھ توانائی کی کھپت کو کم کرنے کے طریقے تلاش کر رہے ہیں، اور ہم اسے غیر روایتی، باکس سے باہر کے طریقوں سے کرنے کی کوشش کر رہے ہیں۔”

محققین برسوں سے ٹاپولوجیکل مواد پر کام کر رہے ہیں، لیکن مینیسوٹا یونیورسٹی کی ٹیم پہلی ہے جس نے پیٹنٹ شدہ، صنعت سے مطابقت رکھنے والے اسپٹرنگ کے عمل کو استعمال کرتے ہوئے اس سیمیٹل کو پتلی فلم کی شکل میں بنایا ہے۔ چونکہ ان کا عمل صنعت سے مطابقت رکھتا ہے، وانگ نے کہا، ٹیکنالوجی کو زیادہ آسانی سے اپنایا جا سکتا ہے اور حقیقی دنیا کے آلات کی تیاری کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

“ہماری زندگی میں ہر روز، ہم الیکٹرانک آلات استعمال کرتے ہیں، اپنے سیل فون سے لے کر ڈش واشر سے لے کر مائیکرو ویو تک۔ وہ سب چپس کا استعمال کرتے ہیں۔ ہر چیز توانائی استعمال کرتی ہے،” آندرے میخویان، مقالے کے سینئر مصنف اور رے ڈی اور میری ٹی جانسن نے کہا۔ یونیورسٹی آف مینیسوٹا ڈیپارٹمنٹ آف کیمیکل انجینئرنگ اینڈ میٹریل سائنس میں چیئر اور پروفیسر۔ “سوال یہ ہے کہ ہم اس توانائی کی کھپت کو کیسے کم کر سکتے ہیں؟ یہ تحقیق اس سمت میں ایک قدم ہے۔ ہم اسی طرح یا اکثر بہتر کارکردگی کے ساتھ مواد کی ایک نئی کلاس لے کر آ رہے ہیں، لیکن بہت کم توانائی استعمال کر رہے ہیں۔”

چونکہ محققین نے اس طرح کے اعلیٰ معیار کے مواد کو گھڑ لیا تھا، اس لیے وہ اس کی خصوصیات کا بھی باریک بینی سے تجزیہ کرنے کے قابل تھے اور اسے کیا چیز منفرد بناتی ہے۔

اس مقالے کے سینئر مصنف اور یونیورسٹی میں پال پامبرگ کے ایسوسی ایٹ پروفیسر ٹونی لو نے کہا، “طبعیات کے نقطہ نظر سے اس کام کی ایک اہم شراکت یہ ہے کہ ہم اس مواد کی کچھ بنیادی خصوصیات کا مطالعہ کرنے کے قابل تھے۔” مینیسوٹا ڈیپارٹمنٹ آف الیکٹریکل اینڈ کمپیوٹر انجینئرنگ۔ “عام طور پر، جب آپ مقناطیسی میدان کا اطلاق کرتے ہیں، تو کسی مواد کی طولانی مزاحمت بڑھ جاتی ہے، لیکن اس مخصوص ٹاپولوجیکل مواد میں، ہم نے پیش گوئی کی ہے کہ اس میں کمی واقع ہوگی۔ یہ واقعی ایک منفی مزاحمت ہے۔”

Low, Mkhoyan، اور Wang ایک دہائی سے زیادہ عرصے سے اگلی نسل کے الیکٹرانک آلات اور نظاموں کے لیے ٹاپولوجیکل مواد پر مل کر کام کر رہے ہیں — یہ تحقیق تھیوری اور کمپیوٹیشن، مادی نمو اور خصوصیت میں ان کی متعلقہ مہارت کو یکجا کیے بغیر ممکن نہیں تھی، اور ڈیوائس کی تیاری۔

وانگ نے کہا کہ “یہ نہ صرف ایک متاثر کن نقطہ نظر کی ضرورت ہے بلکہ چاروں شعبوں اور ٹیم کے اراکین کے ایک سرشار گروپ کو اس طرح کے ایک اہم لیکن چیلنجنگ موضوع پر کام کرنے کے لیے بہت صبر کی ضرورت ہے، جو ممکنہ طور پر ٹیکنالوجی کی لیب سے صنعت میں منتقلی کو ممکن بنائے گا،” وانگ نے کہا۔ .

لو، میخویان، اور وانگ کے علاوہ، تحقیقی ٹیم میں یونیورسٹی آف مینیسوٹا ڈیپارٹمنٹ آف الیکٹریکل اینڈ کمپیوٹر انجینئرنگ کے محققین ڈیلن ژانگ، وی جیانگ، اونری بینلی، زیک کریس ویل، یہونگ فین، یانگ ایل وی، اور پرزیمیسلاو سوٹیک شامل تھے۔ کیمیکل انجینئرنگ اور مٹیریلز سائنس کے شعبہ کے محقق Hwanhui Yun؛ شعبہ طبیعیات اور فلکیات کے محقق تھامس پیٹرسن؛ اور یونیورسٹی آف مینیسوٹا کی خصوصیت کی سہولت کے محققین Guichuan Yu اور Javier Barriocanal۔

اس تحقیق کو SMART، NCORE کے سات مراکز میں سے ایک، ایک سیمی کنڈکٹر ریسرچ کارپوریشن پروگرام کے ذریعے سپورٹ کیا گیا ہے، جو نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف اسٹینڈرڈز اینڈ ٹیکنالوجی (NIST) کے زیر اہتمام ہے۔ TP اور DZ کو جزوی طور پر ASCENT، JUMP کے چھ مراکز میں سے ایک، ایک سیمی کنڈکٹر ریسرچ کارپوریشن پروگرام جس کو MARCO اور DARPA نے سپانسر کیا ہے، کی حمایت حاصل تھی۔ اس کام کو جزوی طور پر یونیورسٹی آف مینیسوٹا کے میٹریلز ریسرچ سائنس اینڈ انجینئرنگ سینٹر (MRSEC) پروگرام نے ایوارڈ نمبر DMR-2011401 (Seed) کے تحت سپورٹ کیا تھا۔ اس کام کے کچھ حصے مینیسوٹا ٹوئن سٹیز یونیورسٹی کی کریکٹرائزیشن فیسیلٹی میں کیے گئے، جسے MRSEC (ایوارڈ نمبرDMR-2011401) کے ذریعے نیشنل سائنس فاؤنڈیشن سے جزوی تعاون حاصل ہے۔ اس کام کے کچھ حصے مینیسوٹا نینو سینٹر میں کیے گئے، جسے ایوارڈ نمبر ECCS-2025124 کے تحت NSF نینو کوآرڈینیٹڈ انفراسٹرکچر نیٹ ورک (NNCI) کی حمایت حاصل ہے۔