ترانزیستوری که الکترون الکترون کار می‌کند

نصف یک الکترون، ترانزیستور بسیار حساسی را که محققان انستیتو تکنولوژی ماساچوستس و آی بی ام ساخته‌اند، قطع یا وصل می‌کند. در این وسیله که اودی میراو و مارک کاستز در ام آی تی و شالوم و بند در آی بی ام ساخته اند، هر بار که الکترونی اضافه می‌شود جریان وصل و قطع می‌شود.
این ترانزیستور، فعلاً فقط در دمای کمتر از K 1 کار می‌کند، که از لحاظ کاربردهای تجاری غیر عملی است. اما دریچه ای به یک فیزیک جدید و مهیج می‌گشاید، زیرا پژوهشگران نحوه عمل آن را دقیقاً نمی‌دانند. به گفته ویند، اگر بتوان فهمید که این وسیله را در دماهای بیشتر چگونه باید ساخت ممکن است به "وسیله‌های الکترونیکی واقعاً حیرت آوری" دست بیابیم که طرز کارشان با ترانزیستورهای موجود بسیار متفاوت است.
شرح وسیله MIT/IBM در شماره ششم اوت فیزکال ریویولترز آمده است. این وسیله شبیه به ترانزیستور استاندارد اثر میدان است و تشکیل شده است از یک لایه نازک گالیم آرسنید رشد داده شده است، این لایه اخیر هم به نوبه خود بر پایه ای از گالیم آرسنید آلاییده می‌نشیند تا بتواند الکتریسیته را هدایت کند. دو الکترود فلزی بر هر دو انتهای لایه GaAs سوار می‌شود و وقتی ولتاژی بین پایه (بیس) و لایه GaAs (در رأس) برقرار شود، الکترونها را از الکترودهای فلزی به فصل مشترک میان AlGaAs و GaAsمی‌کشد و این الکترونهای آزاد، انتقال جریان الکتریکی توسط GaAs را – که معمولاً عایق است – میسر می‌کند. هر چه ولتاژ اعمال شده بیشتر باشد الکترونهای آزاد بیشترند، و جریانی که می‌تواند بین الکترودها برقرار شود بیشتر خواهد بود. تا اینجا هیچ حادثه غیر عادی ای اتفاق نیفتاده است: در ترانزیستورهای معمولی، دقیقاً به همین طریق از یک ولتاژ اعمال شده برای کنترل کردن جریان میان دو الکترود استفاده می‌شود.
اما این سه محقق دو جزء دیگر هم افزوده اند که این ترانزیستور معمولی را به یک قطعه کاملاً نامتعارف تبدیل می‌کند. جزء اول یک جفت نوار فلزی است که بر روی GaAs قرار می‌گیرد و به عنوان "دریچه ای" میان دو الکترود عمل می‌کند. ولتاژی که به این نوارها اعمال می‌شود، یک پتانسیل، الکترونهای آزاد را در داخل نوار باریک GaAs که در زیر شکاف بین نوارهای فلزی واقع است، جمع می‌کند. حاصل کار این است که وقتی الکترونهای لایه GaAs از یک الکترود به الکترود دیگر می‌روند، باید در یک مجرای باریک توقف کنند. در نتیجه، الکترونها فقط دریک بعد نزدیک به فصل مشترک GaAs/GaAs حرکت می‌کنند و در بین دو لبه دریچه چلانده می‌شوند.
به گفته ویند: " در این قبیل ساختارهای یک بعدی آثار متعدد جالب توجهی بروز می‌کند" یکی از همین آثار بسیار جالب را یک سال و نیم پیش کاستنر و همکارانش در ام آیی تی کشف کردند. آنها پی بردند که با زیاد کردن ولتاژ اعمال شده بر ترانزیستور سیلیسیمی‌اثر میدان، جریانی که بین الکترودها برقرار می‌شود به صورتی هموار و پیوسته بالا نمی‌رود بلکه به طور متناوب زیاد و کم می‌شود.
کاستنر به یاد می‌آورد که "وقتی برای اولین بار این نوسانها را مشاهده کردیم، نمی‌دانستیم که چه هستند." وقتی یکی از همکارانش داده ها را به او نشان می‌داد، گفت" این پدیده از لحاظ فیزیکی غیر ممکن است".
اما اثر مشاهده شده واقعیت داشت و گروه کاستنر توضیحی هم برای آن ارائه داد. اگر یک جفت ناخالصی در امتداد مجرای یک بعدی راه الکترونها را ببندند، این کار تا حدودی بخش بین ناخالصیها را از بقیه مجرا مجزا می‌کند. آن وقت در این جعبه یک بعدی، آثار کوانتومی‌اهمیت پیدا می‌کند، به طوری که جریان بسته به این که دقیقاٌ چند الکترون داخل آن بوده، تغییر می‌کند.
کاستنر، برای امتحان این فرضیه، با ویند و میراو به کار پرداخت تا همان اثر را، به جای این که تابع وجود اتفاقی ناخالصیها در مجرا باشد، به گونه ای تکرار شدنی ایجاد کند. برای این کار دومین جزء را اضافه کردند: با ایجاد دو "تنگنا" در دریچه موانعی به وجود آوردند که شبیه ناخالصی عمل می‌کرد. استدلال آنها این بود که این تنگناها باید مجرا را در دو نقطه تنگ کند، و قسمت مجزایی به طول ثابت به وجود بیاورند.

به قول کاستنر با دانستن طول این قسمت می‌شد

نشان داد که دقیقاً چه چیز دارد اتفاق می‌افتد، زیرا می‌شد حساب کرد که به ازای یک تغییر معین در ولتاژ اعمال شده، چند الکترون به جعبه اضافه شده است.
(وقتی ناخالصیها، موانع مجرا باشند هیچ راهی برای تعیین فاصله بین آنها وجود ندارد). بنابر برآورد کاستنر، در داخل جعبه آنها، در ولتاژهایی که به کار می‌بردند، کمتر از یک صد الکترون وجود داشت.
محاسبات گروه حاکی از آن است که هر بار، تعداد الکترونهای قسمت مسدود مجرا دقیقاً یکی زیاد می‌شود، جریانی که در مجرا جاری است نخست کم و سپس زیاد می‌شود و یک چرخه کامل طی می‌شود. یعنی، ترانزیستور قطع و سپس وصل می‌شود. به همین ترتیب، با تغییر ولتاژ اعمال شده، به طریقی که تعداد الکترونهای جعبه به اندازه یک دوم تغییر کند، جریان از وصل به قطع، یا از قطع به وصل، می‌رود. ("نصف یک الکترون" صرفاً یک میانگین است! مثلاً اگر بگوییم در این قسمت 5 و 20 الکترون موجود است، منظورمان این است که این قسمت نصف اوقات 20 الکترون دارد و نصف اوقات 21 الکترون).
هر چند در این مسئله هنوز نظریه از آزمایش عقب است، اعضای گروه معتقدند که به طور کیفی می‌دانند که اوضاع از چه قرار است. آنها با تنظیم کردن ولتاژ اعمال شده، تعداد الکترونهای موجود در یک قسمت (بین دو تنگنا یا مانع) را کنترل می‌کنند.
اگر این قسمت حاوی تعداد صحیحی الکترون باشد، الکترونها با هم عمل می‌کنند و هر الکترون الکترون دیگر را می‌راند و از ورود آن به این قسمت (بین دو مانع) جلوگیری می‌کند به این ترتیب جریان بسیار کم یا صفر است. اما وقتی تعداد الکترونهای موجود در آن قسمت عدد فرد – نیمه ای باشد، الکترونها پیوسته خارج و داخل می‌شوند، و امکان عبور جریان را از آن قسمت فراهم می‌آورند.
به گفته کاستنر تغییر اندکی به اندازه یک دهم یک الکترون می‌تواند جریان گذرنده از ترانزیستور را به میزان 100 برابر تغییر بدهد.
بنابر نوشته کاستنر، اگر بتوانیم در دماهای عملی تر و زیادتر به همین اثر دست بیابیم، می‌شود ترانزیستور چند حالته ای ساخت که بر خلاف ترانزیستورهای متعارف با زیاد کردن ولتاژ، به جای یکبار چندین بار قطع و وصل شود. این ترانزیستور می‌تواند کاربردهای بسیار گسترده ای داشته باشد.
ولی این کاربردها به آینده ای دور مربوط می‌شود، اول از همه، محققان می‌خواهند بفهمند که چه اتفاقی می‌افتد. کارهای نظری ای که تغییر جریان با تعداد الکترونها را توجیه می‌کند، سایر ویژگیهای این وسیله، مانند تغییرات معما گونه و پیچیده دامنه جریان را توضیح نمی‌دهند و هنوز هم کسی نمی‌داند که الکترونهای داخل جعبه چگونه با یکدیگر بر هم کنش می‌کنند.