کارِ ترانزیستوری به صورت الکترون به الکترون

نصف یك الكترون، ترانزیستور بسیار حساسی را كه محققان انستیتو تكنولوژی ماساچوستس و آی‌بی‌ام ساخته‌اند، قطع یا وصل می‌كند. در این وسیله كه اودی میرا و مارك كاستنر در ام‌آی‌تی و شالوم ویند در آی‌بی‌ام ساخته‌اند، هربار كه الكترونی اضافه می‌شود جریان وصل و قطع می‌شود.
این ترانزیستور، فعلاً فقط در دماهای كمتر از K1 كار می‌كند، كه از لحاظ كاربردهای تجاری غیر عملی است. اما دریچه‌ای به یك فیزیك جدید و مهیج می‌گشاید، زیرا پژوهشگران نحوه عمل آن را دقیقاً نمی‌دانند. به گفته ویند، اگر بتوان فهمید كه این وسیله را در دماهای بیشتر چگونه باید ساخت ممكن است به وسیله‌های الكترونیكی واقعاً حیرت آوری دست بیابیم كه طرز كارشان با ترانزیستورهای موجود بسیار متفاوت است.
شرح وسیله MIT/IBM در شماره ششم اوت فیزیكال ریویولترز آمده است. این وسیله شبیه به ترانزیستور استاندارد اثر میدان است و تشكیل شده است از یك لایه نازك گالیم آرسنید كه روی لایه نازكی از آلومینیم گالیم آرسنید رشد داده شده است؛ این لایه اخیر هم به نوبه خود بر پایه‌ای از گالیم آرسنید آلاییده می‌نشیند تا بتواند الكتریسیته را هدایت كند. دو الكترود فلزی بر هر دو انتهای لایه GaAs سوار می‌شود و وقتی ولتاژی بین پایه (بیس) و لایه GaAs (در رأس) برقرار شود، الكترون‌ها را از الكترودهای فلزی به فصل مشترك میان AlGaAs و GaAs می‌كشد و این الكترون‌های آزاد، انتقال جریان الكتریكی توسط GaAs را – كه معمولاً عایق است – میسر می‌كند. هرچه ولتاژ اعمال شده بیشتر باشد الكترون‌های آزاد بیشترند، و جریانی كه می‌تواند بین الكترودها برقرار شود بیشتر خواهد بود. تا اینجا هیچ حادثه غیر عادی‌ای اتفاق نیافتاده است: در ترانزیستورهای معمولی، دقیقاً به همین طریق از یك ولتاژ اعمال شده برای كنترل كردن جریان میان دو الكترود استفاده می‌شود.
اما این سه محقق دو جزء دیگر هم افزوده‌اند كه این ترانزیستور معمولی را به یك قطعه كاملاً نامتعارف تبدیل می‌كند. جزء اول یك جفت نوار فلزی است كه بر روی GaAs قرار می‌گیرد و به عنوان دریچه‌ای میان دو الكترود عمل می‌كند. ولتاژی كه به این نوارها اعمال می‌شود، یك پتانسیل الكتریكی تولید می‌كند كه تا داخل GaAs هم ادامه پیدا می‌كند. این اختلاف پتانسیل، الكترون‌های آزاد را در داخل نوار باریك GaAs، كه در زیر شكاف بین نوارهای فلزی واقع است، جمع می‌كند. حاصل كار این است كه وقتی الكترون‌های لایه GaAs از یك الكترود به الكترود دیگر می‌روند، باید در یك مجرای باریك توقف كنند. در نتیجه، الكترون‌ها فقط در یك بعد نزدیك به فصل مشترك GaAs/AlGaAs حركت می‌كنند و در بین دو لبه دریچه چلانده می‌شوند.
به گفته ویند: در این قبیل ساختارهای یك بعدی آثار متعدد جالب توجهی بروز می‌كند. یكی از همین آثار بسیار جالب را یكسال و نیم پیش كاستنر و همكارانش در ام‌آی‌تی كشف كردند. آن‌ها پی بردند كه با زیاد كردن ولتاژ اعمال شده بر ترانزیستور سیلیسیمی اثر میدان، جریانی كه بین الكترودها برقرار می‌شود به صورتی هموار و پیوسته بالا نمی‌رود بلكه به طور متناوب زیاد و كم می‌شود.
كاستنر به یاد می‌آورد كه وقتی برای اولین بار این نوسان‌ها را مشاهده كردیم، نمی‌دانستیم كه چه هستند. وقتی یكی از همكارانش داده‌ها را به او نشان می‌داد، گفت این پدیده از لحاظ فیزیكی غیر ممكن است.
اما اثر مشاهده شده واقعیت داشت و گروه كاستنر توضیحی هم برای آن ارائه داد. اگر یك جفت ناخالصی در امتداد مجرای یك بعدی راه الكترون‌ها را ببندند، این كار تا حدودی بخش بین ناخالصی‌ها را از بقیه مجرا مجزا می‌كند. آن‌وقت در این جعبه یك بعدی، آثار كوانتومی اهمیت پیدا می‌كند، به طوری كه جریان بسته به اینكه دقیقاً چند الكترون داخل آن بوده تغییر می‌كند.
كاستنر، برای امتحان این فریضه، با ویند و میر و به كار پرداخت تا همان اثر را، به جای اینكه تابع وجود اتفاقی ناخالصی‌ها در مجرا باشد، به گونه‌ای تكرار شدنی ایجاد كند. برای این كار دومین جزء را اضافه كردند: با ایجاد دو تنگنا در دریچه موانعی به وجود آوردند كه شبیه ناخالصی عمل می‌كرد. استدلال آن‌ها این بود كه این تنگناها باید مجرا را در دو نقطه تنگ كنند، و قسمت مجزایی به طول ثابت به وجود بیاورند.
به قول كاستنر با دانستن طول این قسمت می‌شد نشان داد كه دقیقاً چه چیز دارد اتفاق می‌افتد، زیرا می‌شد حساب كرد كه به ازای یك تغییر معین در ولتاژ اعمال شده، چند الكترون به جعبه اضافه شده است. (وقتی ناخالصی‌ها، موانع مجرا باشند هیچ راهی برای تعیین فاصله بین آن‌ها وجود ندارد). بنابر براورد كاستنر، در داخل جعبه آن‌ها، در ولتاژهایی كه به كار می‌بردند، كمتر از یكصد الكترون وجود داشت. محاسبات گروه حاكی از آن است كه هربار، تعداد الكترون‌های قسمت مسدود مجرا دقیقاً یكی زیاد می‌شود، جریانی كه در مجرا جاری است نخست كم و سپس زیاد می‌شود و یك چرخه كامل طی می‌شود. یعنی، ترانزیستور قطع و سپس وصل می‌شود، به همین ترتیب، با تغییر اعمال شده، به طریقی كه تعداد الكترون‌های جعبه به اندازه 2/1 تغییر كند، جریان از وصل به قطع، یا از قطع به وصل، می‌رود. (نصف یك الكترون صرفاً یك میانگین است! مثلاً اگر بگوییم در این قسمت 5ر20 الكترون موجود است، منظورمان این است كه این قسمت نصف اوقات 20 الكترون دارد و نصف اوقات 21 الكترون).
هرچند در این مسئله هنوز نظر به آزمایش عقب است، اعضای گروه معتقدند كه به طور كیفی می‌دانند كه اوضاع از چه قرار است. آن‌ها با تنظیم كردن ولتاژ اعمال شده، تعداد الكترون‌های موجود در یك قسمت (بین تنگنا یا مانع) را كنترل می‌كنند. اگر این قسمت حاوی تعداد صحیحی الكترون باشد، الكترون‌ها با هم عمل می‌كنند و هر الكترون الكترون دیگر را می‌راند و از ورود آن به این قسمت (بین دو مانع) جلوگیری می‌كند. به این ترتیب جریان بسیار كم یا صفر است. اما وقتی تعداد الكترون‌های موجود در آن قسمت عدد فرد – نیمه‌ای باشد، الكترون‌ها پیوسته خارج و داخل می‌شوند، و امكان عبور جریان را از آن قسمت فراهم می‌آورند. به گفته كاستنر تغییر اندكی به اندازه یك دهم یك الكترون می‌تواند جریان گذرنده از ترانزیستور را به میزان 100 برابر تغییر بدهد.
بنابر نوشته كاستنر، اگر بتوانیم در دماهای عملی‌تر و زیادتر به همین اثر دست بیابیم، می‌شود ترانزیستور چند حالته‌ای ساخت كه برخلاف ترانزیستورهای متعارف با زیاد كردن ولتاژ، به جای یك بار، چندین بار قطع و وصل شود. این ترانزیستور می‌تواند كاربردهای بسیار گسترده‌ای داشته باشد. ولی این كاربردها به آینده‌ای دور مربوط می‌شود. اول از همه، محققان می‌خواهند بفهمند كه چه اتفاقی می‌افتد. كارهای نظری‌ای كه تغییر جریان با تعداد الكترون‌ها را توجیه می‌كند، سایر ویژگی‌های این وسیله، مانند تغییرات معما گونه و پیچیده دامنه جریان را توضیح نمی‌دهد و هنوز هم كسی نمی‌داند كه الكترون‌های داخل جعبه چگونه با یكدیگر بر هم كنش می‌كنند.