کاربردهای عملی نانوتکنولوژی در الکترونیک

پس از کشف ترانزیستور حالت جامد توسط باردن، تجهیزات مبتنی بر لامپ های خلاء حجیم، دارای مصرف برق زیاد، و گران قیمت با دستگاه های کوچک، سبک وزن، و کم مصرف تر جایگزین شدند. این امر باعث شد تجهیزات کم حجمی مانند ساعت مچی شخصی دیجیتالی، ماشین حساب، کامپیوتر قابل حمل (لپ تاپ)، موبایل، استریو، ویدئو و غیره ایجاد شود که همگی به دلیل پیشرفت در الکترونیک و حوزه های مرتبط با آن است.

به زودی فهمیده شد که می توان نه تنها اندازه دستگاه های مختلف را کاهش داد بلکه مدارهای بزرگ را روی یک تراشه منفرد با عنوان"IC" یا مدار یکپارچه ساخت. برون یابی این ایده ها و پیشرفت در تکنیک های ساخت دستگاه مانند تکنیک لیتوگرافی نه تنها امکان ساخت یکپارچه سازی در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) از دستگاه ها و مدارهای الکترونیکی را ممکن ساخت، بلکه همچنین وفادارانه کمیت های زیادی از آنها را تولید می کند.

در اوایل سال 1960 میلادی، مور روند کوچک شدن دستگاه های الکترونیکی را پیش بینی کرد که به عنوان قانون مور مشهور است. وی اظهار داشت که تعداد ترانزیستورهای موجود روی هر تراشه در هر 18 ماه دو برابر می شود. اما پس از سال 2000 میلادی، یک انحراف از قانون مور رخ داده است. می توان به کاهش اندازه تا حد یک اتم ادامه داد، اما مطمئناً حدی برای اندازه وجود دارد که در زیر آن حد، خواص ماده از اندازه مستقل نیست. اینجاست که "علم نانو" و "فناوری نانو" مسئولیت به عهده می گیرند.

بنابراین، دستگاه های الکترونیکی با ابعاد نوعیِ چند نانومتر در هر سه بعد طول و عرض و ارتفاع، نه تنها نشانگر کوچک سازی هستند بلکه نمایش دهنده برخی خواص منحصر به فرد هستند که در طول 5 تا 6 دهه گذشته از کشف دستگاه های حالت جامد شناخته نشده بودند. ترانزیستور تک الکترون، شیرهای اسپین، پیوندگاه های تونلی مغناطیسی (MTJ) از نظر مفهومی دستگاه های جدیدی هستند که بر پایه فناوری نانو طراحی شده اند. چنین دستگاه هایی سریع تر، جمع و جور، و نسبتاً ارزان تر هستند و راه خود را در بازار پیدا می کنند.

از دستگاه های نوع دریچه اسپین قبلاً در رایانه های شخصی برای "خواندن دیسک" استفاده می شد که امکان افزایش ظرفیت ذخیره سازی داده های دیسک های سخت را فراهم کرده اند. جالب است که شیر اسپینی و MTJ مبتنی بر مفهومی هستند که خودش در حال رشد به حوزه ای در خودش است که با عنوان اسپینترونیک، یا الکترونیک مبتی بر اسپین، شناخته می شود. به خوبی دانسته شده است که یک الکترون (یا حفره) هم دارای بار و هم دارای اسپین (چرخش) است.

با این حال، الکترونیک تاکنون فقط از بار آنها استفاده کرده است و اسپین آنها مورد بی توجهی قرار گرفته است. اکنون، در سال های اخیر مشخص شده است که اگر اسپین یک الکترون (یا حفره) در نظر گرفته شود، دستگاه هایی که به نحو مناسبی ساخته شوند منجر به برخی از دستگاه های برتر می شوند. بسیاری از دستگاه های مبتنی بر اسپین مانند Spin-FET، Spin-LED، Spin-RTD، سوئیچ های نوری با فرکانس تراهرتز، تعدیل کننده ها، رمزگذارها، رمزگشاها و کیوبیت های رایانه های کوانتومی در لیست داغ دانشمندان و فن آورها قرار دارند.

انقلاب بعدی در رایانه ها از "حافظه غیر فرار" استفاده می کند که در صورت قطع ناگهانی برق، یا اگر فراموش کنیم که ورودی ها را ذخیره کنیم، داده ها از بین نمی روند. ما همچنین ممکن است کامپیوترهای کوانتومی داشته باشیم که بسیار قدرتمندتر از رایانه های موجود باشند.