شما هر روز بدون اینکه متوجه شوید از این فناوری کوانتومی استفاده می کنید!

شاید در نگاه اول مفاهیم فناوری کوانتومی تنها در آزمایشگاه های پیشرفته یا پروژه های عظیم در زمینه فیزیک ذرات معنی دار به نظر برسند، اما حقیقت این است که هر روز بدون توجه به یکی از اساسی ترین پدیده های مکانیک کوانتومی یعنی «تونل زنی کوانتومی» سر و کار داریم و این موضوع آنقدر مهم است که جایزه نوبل در سال 2025 به این موضوع اختصاص یافت!

تونل کوانتومی در واقع اساس حافظه های حالت جامد مانند حافظه فلش، کارت حافظه SD و درایوهای حالت جامد (SSD) را تشکیل می دهد که به بخشی جدایی ناپذیر از زندگی دیجیتال امروزی تبدیل شده اند. پس چگونه پدیده های کوانتومی در خارج از آزمایشگاه و در داخل وسایل زندگی روزمره رخ می دهند؟ برای درک این موضوع باید به سراغ همان آزمایشگاه های کوانتومی برویم که این پدیده را کشف کرده اند!

تونل کوانتومی چیست؟

اکنون به قلب دنیای کوانتومی می رویم. در اینجا ذرات در کوچکترین مقیاس قوانین فیزیک خود را دارند. قوانینی که به خوبی با فیزیک کلاسیک همخوانی ندارند. در مکانیک کلاسیک، اگر ذره ای به مانع برخورد کند و انرژی آن کمتر از انرژی لازم برای غلبه بر ارتفاع مانع باشد، ذره نمی تواند از آن عبور کند. با این حال، در دنیای کوانتومی، الکترون‌ها غیرقابل پیش‌بینی رفتار می‌کنند و حتی اگر در سطح انرژی پایین‌تری نسبت به سد باشند، می‌توانند از سد عبور کنند! این یک پدیده باورنکردنی است تونل زنی کوانتومی مانند آن

به زبان ساده، تونل زنی کوانتومی
اعتبار: مجله کیهان

باید گفت که در مقیاس های زیر اتمی، ذرات مانند توپ های کوچک نیستند، بلکه حالتی موج مانند دارند. “تابع موج” الکترون احتمال پیدا شدن آن در مکان های مختلف را بیان می کند و اگر این تابع مقداری غیر صفر داشته باشد، احتمال عبور الکترون از مانع حتی در طرف دیگر سد وجود دارد. به همین دلیل است که الکترون ها می توانند از لایه های بسیار نازک عایق عبور کنند. این پایه ای است که مستقیماً در حافظه های نیمه هادی استفاده می شود.

از نظریه تا واقعیت: تاریخچه تونل زنی کوانتومی

پدیده تونل زنی اولین بار در دهه 1920 و همزمان با پایه گذاری مکانیک کوانتومی مطرح شد. فیزیکدانان بزرگی مانند نیلز بور، ورنر هایزنبرگ و اروین شرودینگر در تلاش بودند تا رفتار ذرات را در مقیاس اتمی توضیح دهند. با این حال، در سال 1928، جورج گامو توانست پدیده تونل زنی را با تجزیه و تحلیل دقیق تر برای توضیح واپاشی هسته ای توصیف کند. ذرات آلفا از هسته اتم ساطع می شوند حتی اگر انرژی آنها برای عبور از سد پتانسیل کافی نباشد.

در سال های بعد، مفهوم تونل کوانتومی از سطح تئوری فراتر رفت. در سال 1958، فیزیکدانان لئو اساکی، ایوار گیاور و برایان جوزفسون نقش این پدیده را در مواد ابررسانا و نیمه هادی بررسی کردند. به این ترتیب، تحقیقات آنها پایه و اساس ساخت ابزارهایی را برای دستکاری و کنترل تونل کوانتومی ایجاد کرد. از جمله این فناوری ها می توان «Tunnel Diode» و بعداً «Flash Transistors» را برشمرد.

از راست: جوزفسون، گیور، ایساکی
مشارکت کنندگان: مجله Cosmos، United Press، IBM

این فناوری به قدری انقلابی بود که نیمی از جایزه نوبل فیزیک در سال 1973 به ایساکی و گیور برای اکتشافات تجربی آنها در مورد پدیده های تونل زنی در نیمه هادی ها و ابررساناها و نیمی دیگر به جوزفسون برای پیش بینی های نظری در مورد خواص ابرجریان عبوری از یک مانع، به ویژه اثرات جوزفسون تعلق گرفت. اکنون در سال 2025، پس از بیش از نیم قرن، نسل جدیدی از دانشمندان برنده جایزه نوبل فیزیک برای توسعه فناوری های مبتنی بر این پدیده شده اند. فناوری هایی که در قلب بسیاری از دستگاه های الکترونیکی ما قرار دارند.

تونل کوانتومی در حافظه فلش و SSD

برای درک نقش تونل زنی در ذخیره سازی حالت جامد، باید بدانیم که حافظه های فلش از میلیون ها سلول حافظه تشکیل شده اند. هر سلول اساسا یک ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) با یک لایه اکسید سیلیکون عایق (SiO2) است. در حافظه های معمولی، الکترون ها نمی توانند از این لایه عبور کنند، اما در حافظه های فلش، ضخامت لایه چند نانومتر است و به قدری کوچک است که پدیده تونل زدن کوانتومی رخ می دهد و اجازه عبور الکترون ها را می دهد.

در داخل هر سلول حافظه دو ناحیه مهم وجود دارد: “دروازه شناور” و “دروازه کنترل”. زمانی که می خواهیم داده ها را در حافظه بنویسیم (فرایند برنامه نویسی)، ولتاژ بالا به گیت کنترل اعمال می شود. این ولتاژ یک میدان الکتریکی قوی ایجاد می کند که باعث می شود آنها از لایه اکسید عبور کرده و در فرآیندی به نام “تونل فاولر-نوردهایم” وارد دروازه شناور شوند.

فلش مموری چگونه کار می کند؟
اعتبار: Spiceworks

وجود یا عدم وجود این الکترون ها در دروازه شناور تعیین می کند که کدام بیت ذخیره شود 1 یا 0 در حین خواندن داده ها، مدار تشخیص می دهد که آیا در آن ناحیه الکترون وجود دارد یا خیر و بر این اساس مقدار بیت را برمی گرداند. در پاک کردن، ولتاژی در جهت مخالف اعمال می شود به طوری که الکترون ها از دروازه لغزنده خارج می شوند. تمامی این فرآیندها بدون قطعات مکانیکی انجام می شود که همین امر باعث می شود فلش مموری سریع، بادوام و کم مصرف باشد.

از حافظه فلش تا SSD: تکامل حافظه

فناوری تونل کوانتومی برای اولین بار در “حافظه های پاک شونده الکترونیکی” (EEPROM) استفاده شد. در دهه 1980 با بهبود فرآیند تولید و کاهش ضخامت لایه اکسید، فلش مموری های NAND و NOR به بازار عرضه شد که بدون نیاز به انرژی ثابت می توانند داده ها را ذخیره کنند و در برابر ضربه های مکانیکی بسیار مقاوم هستند.

با گذشت زمان، این فناوری در مقیاس بزرگتر به رایانه ها راه یافت و سرعت و ثبات ذخیره سازی را در قالب درایوهای SSD متحول کرد. درایوهای SSD از همان پدیده تونل زنی برای نوشتن و پاک کردن اطلاعات استفاده می کنند، اما این بار در ساختارهای چندلایه (3D NAND) حاوی میلیون ها سلول در هر میلی متر مکعب. بنابراین تونل زنی کوانتومی دیگر فقط یک پدیده آزمایشگاهی نیست. برعکس، ستون فقرات فن آوری های ذخیره سازی مدرن است.

استفاده از ساختارهای تونل کوانتومی سه بعدی در SSD
اعتبار: Storedbits، Digikala Mag

امروزه از این فناوری حتی در گوشی های هوشمند نیز استفاده می شود. حافظه داخلی گوشی ها، چه از نوع UFS در مدل های جدید و چه از نوع eMMC در مدل های قدیمی، در اصل بر اساس NAND Flash ایجاد شده است و عملکرد آن به پدیده تونل زنی کوانتومی بستگی دارد. بنابراین، تلفن های همراه می توانند داده ها را حفظ کنند و اطلاعات را با سرعت بالا و بدون منبع تغذیه ثابت ذخیره یا بازیابی کنند.

پیشگامان تجاری تونل زنی کوانتومی

اگرچه پدیده تونل زنی کوانتومی در اواسط قرن بیستم به صورت تئوری شناخته شده بود، اما اجرای آن در قالب حافظه های فلش نتیجه تلاش توشیبا و مهندس ژاپنی فوجیو ماسوکا بود. او با طراحی سلول های حافظه بر اساس تونل زنی فاولر-نوردهایم در اوایل دهه 1980، توانست نمونه اولیه EEPROM و سپس حافظه فلش NAND را توسعه دهد. این موفقیت باعث شد تا توشیبا اولین تراشه فلش NAND را در سال 1987 معرفی کند و تکامل ذخیره سازی داده ها را نشان دهد.

تقریباً در همان زمان، اینتل نوع دیگری از این فناوری به نام NOR Flash را توسعه داد که اجازه می‌دهد کد مستقیماً از تراشه اجرا شود. بعدها با مشارکت شرکت هایی مانند سامسونگ، میکرون و شرکت کره ای SK Hynix، فناوری فلاش از سلول های دو بعدی به ساختارهای سه بعدی ارتقا یافت و ظرفیت و دوام حافظه ها به طور تصاعدی افزایش یافت و تحقیقات کوانتومی قرن بیستم را به یکی از سودآورترین و پرکاربردترین فناوری های قرن بیست و یکم تبدیل کرد.

توشیبا نقش کلیدی در توسعه خاطرات امروزی دارد.
اعتبار: توشیبا

نوبل فیزیک 2025

برندگان جایزه نوبل فیزیک 2025 محققانی هستند که توانسته اند روش های کنترل دقیق تری را برای تونل زنی کوانتومی در ساختارهای نیمه هادی توسعه دهند. این موفقیت به تولید تراشه هایی با مصرف انرژی کمتر و سرعت بالاتر کمک کرد. تحقیقات آنها منجر به ایجاد حافظه‌های آینده نه تنها کوچک‌تر و سریع‌تر، بلکه قادر به پایداری داده‌ها برای چندین دهه شده است. به گفته کمیته نوبل، این تحولات مرز بین علوم پایه و فناوری روزانه را از بین برده و پدیده ای را ساخته است که زمانی فقط نظری به نظر می رسید، اکنون در جیب ماست!

برندگان جایزه نوبل فیزیک 2025
اعتبار: جایزه نوبل

آینده فناوری تونل زنی

دانشمندان اکنون در حال بررسی راه هایی برای ترکیب تونل زنی کوانتومی با مواد دو بعدی مانند گرافن و دی سولفید مولیبدن (MoS2) هستند تا حافظه هایی با سرعت نوشتن بیشتر و پایداری بیشتر تولید کنند. ایده “حافظه کوانتومی” واقعی نیز در حال توسعه است. جایی که اطلاعات نه در صفر و یک، بلکه در حالت‌های «ابرجا» ذخیره می‌شوند. با این روند، فناوری هایی که زمانی محدود به تئوری های فیزیکی بودند، اکنون در راه شکل دادن به آینده محاسبات، ذخیره سازی داده ها و زندگی انسان هستند.

شرکت هایی مانند WeLink در توسعه حافظه کوانتومی تجاری پیشرو هستند.
اعتبار: Welinq

خلاصه

تونل‌سازی کوانتومی که زمانی فقط در معادلات شرودینگر و مدل‌های فیزیک نظری معنا داشت، امروزه در قلب دستگاه‌های دیجیتال می‌کوبد. همه چیز، از فلش مموری های کوچک گرفته تا انتقال اطلاعات گرفته تا حافظه های SSD که سرعت رایانه های مدرن را تعیین می کنند، به لطف این پدیده ظریف و شگفت انگیز کار می کنند. این یکی از اثرات شگفت انگیز فیزیک است که در زندگی جریان دارد و اکنون می دانید که هر بار که یک فایل را در حافظه ذخیره می کنید یا یک عکس دیجیتالی می گیرید، در واقع از یکی از اسرارآمیزترین اثرات فیزیک کوانتومی بهره مند می شوید.

منابع: MIT، 3D InCites، IEEE، Phys.Org