رایانه هایی با سرعت نور

 سرعت ، این روزها بر همه شوون زندگی انسان سایه افکنده است. بشر تا آنجا که بتواند می خواهد مرزهای تعریف شده سرعت را در عرصه های مختلف درهم شکند و به حدود جدید این مرزها دست یابد. در چنین شرایطی ، خودروها، هواپیماها و ابزارهای محاسبه در این راه هر روز متحول می شوند و اگر در این بحبوحه ، از روشی جدید که به این روند شتاب بخشد، خبری منتشر شود، توجه خاصی به آن خواهد شد. خبری که چندی پیش در نشریات معتبر علمی به چاپ رسید، از این دست بود.
چندی پیش گروهی از دانشمندان دانشگاه UCLA موفق به اختراع لیزر سیلیکونی شدند تا به سوی رایانه های نوری گامی بلند برداشته شود. سیلیکون ، عنصری ویژه است و بسیاری از قطعات الکترونیکی که مبنا و پایه ای برای گسترش توانایی رایانه ها به حساب می آیند بر مبنای خواص این عنصر ساخته شده اند. امروزه با استفاده از خواص این فلز توانسته ایم بیش از یک میلیارد ترانزیستور را روی یک چیپ الکترونیکی کوچک نصب کنیم و آن را به تولید انبوه برسانیم و با قیمت مناسب در بازار بفروشیم. کاربردهای وسیع این عنصر باعث شده است پایه و بستری مناسب برای تولید هرگونه ساختار الکترونیکی به حساب آید حتی برای ساخت لیزر، توانایی های سیلیکون از یک سو و توانایی های ویژه لیزر از سوی دیگر ترکیب این دو را به گامی بلند برای پیشرفت های فناوری تبدیل می کند. در این راه مشکل کوچکی وجود دارد. بر مبنای متون کتب درسی ، تهیه لیزر از سیلیکون امکان پذیر نیست. باوجود این منع نظری ، هیچ وقت تلاشها برای انجام این فرآیند غیرممکن متوقف نشد. در سالیان گذشته ، تلاشها برای تولید این لیزر از سوی محققان گوناگون بی نتیجه ماند.
بسیاری از آنها تلاش می کردند با افزودن ناخالصی هایی به سیلیکون یا استفاده از روشهای پیچیده و ترکیبی به ساخت این لیزر نایل شوند، اگرچه همه تلاشها ناکام ماند حتی اگر به موفقیت دست می یافت به دلیل روشهایی که در تهیه آن به کار رفته بود با ساختارهای فناوری سیلیکونی استاندارد ناسازگار می ماند، بخصوص آن که این روشها نور لیزر را تنها در طول موج خاصی تولید می کرد که معمولا با طول موج موردنظر متفاوت بود. تلاشهای فراوانی برای تهیه این لیزر ادامه یافت ، به طوری که می توان تهیه این لیزر را هدف اصلی بیشتر موسسات تحقیقات لیزر در دهه گذشته دانست.

دکتر بهرام جلالی ، مدیر تیم تحقیقاتی دانشگاه UCLA یکی از این محققان است که مدرک کارشناسی خود را در رشته فیزیک دانشگاه ایالتی فلوریدا و کارشناسی ارشد و دکتری را در فیزیک کاربردی از دانشگاه کلمبیا اخذ کرده است.
او که تاکنون بیش از ??? اثر تحقیقی منتشر کرده ، عضو موسسه نانو سیتای کالیفرنیا (CNST) است. او جایزه دریج گیت ?? را نیز دریافت کرده و در گروههای علمی فراوانی عضویت دارد.به دلیل تلاشهای گسترده و البته نافرجام گذشته ، وقتی گروهی از دانشمندان دانشگاه UCLA به سرپرستی دکتر بهرام جلالی ، چند سال گذشته اعلام کردند موفق به اختراع لیزر سیلیکونی شده اند، توجه منابع معتبر علمی به آن جلب شد. بر مبنای اصول و مفاهیم مربوط به لیزر و سیلیکونی ، علت این که تاکنون نتوانسته ایم به لیزر سیلیکونی دست پیدا کنیم ، به آنجا بازمی گردد که تولید لیزرهای معمول که به لیزرهای دیود معروف اند با تکیه بر انتقال سطح انرژی الکتریکی درون مواد صورت می گیرد.
لیزرهایی که در پخش کننده های دی وی دی یا وی سی دی یا نشانگرهای لیزری استفاده می شود، از همین رویکرد استفاده می کنند. وقتی این رویکرد در تولید لیزر استفاده می شود، عنصر مورد استفاده باید ساختار مستقیم الکترونیکی داشته باشد. direct electronic bands true tureنیروی لازم این انتقال را تامین می کند. ترکیبات نیمه رسانا از چنین باندی برخوردارند و به همین دلیل ، لیزرهای نیمه رسانا براحتی بر این اساس تولید می شوند.
متاسفانه سیلیکون دارای باند غیرمستقیم است و به همین دلیل ، ماده دیگری باید نقش واسطه را برای انتقال الکترونیکی ایفا کند.
مشکل اصلی آنجاست که این واسطه خود باعث جذب انرژی می شود که باید نور تولید کند. به گفته دکتر جلالی ، این موقعیت شبیه نقل و انتقالات تجاری است. در یک حالت ، رابطه مستقیمی میان خریدار و فروشنده وجود دارد و در حالت دیگر شخصی به عنوان دلال بین این دو قرار می گیرد و معامله بدون حضور این واسطه امکانپذیر نخواهد بود. متاسفانه این واسطه ، بخشی از هزینه مورد نقل و انتقال را که درباره لیزرها همان انرژی است به خود اختصاص می دهد. به زبان فنی ، نقش این واسطه و سوداگر را یک فونون (phonon) ایفا می کند و این ذره ای است که برای توصیف لرزشهای اتمی به کار گرفته می شود. این تیم تحقیقاتی از همین قانون ها برای تولید نور استفاده می کردند. براساس گزارشی که دانشگاه UCLA در این باره منتشر کرده است ، کشف این لیزر کاربردهای فراوانی در حوزه های مختلف خواهد داشت ؛ مقوله هایی چون تشخیص بیوشیمی ، ایمنی ارتباطات و... از این دست است. به دلیل خواص ویژه این نوع لیزر، طول موج نور تولید شده دارای بازه متفاوتی نسبت به لیزرهای کلاسیک است و همین مساله ، سبب کاربردهای فراوان آن خواهد شد. بویژه برای انجام عملیاتی که در میانه پنجره مادون قرمز طیف الکترومغناطیس تعریف می شود.در این ناحیه ، با این که کاربردهای فراوانی قابل تعریف است ، اما تاکنون با کمک لیزرهای موجود امکان تعریف عملکرد روی آنها میسر نیست.
تفکیک های بیوشیمی در ناحیه مادون قرمز یعنی جایی است که بیشترین جذب در آن ناحیه اتفاق می افتد و نکته دوم ، کاربردهایی است که در ارتباطات بی سیم نوری خواهد داشت ؛ چرا که امکان برقراری این ارتباطهای نوری که سازگار با ساختارهای فیبرهای مرسوم هم هستند، با قیمت مناسب فراهم می شود. گذشته از تمام این کاربردها، بسیاری از دانشمندان علوم رایانه ای نسبت به این اختراع واکنش نشان دادند و آن را گامی بزرگ به سوی رایانه های نوری دانسته اند. دکتر جلالی درباره نقش این لیزر در آینده رایانه ها معتقد است که در دو بازه زمانی می توان این تاثیر را مطرح کرد.
در یک بازه زمانی کوتاه مدت می توان انتظار داشت از این لیزر سلیکونی برای سوییچ های الکترونیکی در مدارها استفاده کرد، تا بر محدودیت سرعت پردازشگرهای رایج غلبه شود. در آینده ای دورتر اتفاق متفاوتی رخ خواهد داد و ممکن است پردازشگرهای نوری و بر مبنای این لیزر ساخته شود و همین نکته است که مورد توجه جدی قرار دارد، اما رسیدن به این نقطه ، پایان تحقیقات نخواهد بود. دکتر جلالی معتقد است گام بعدی در این راه افزایش کارایی و منطبق کردن بیشتر خواص این لیزر با کاربردهایی است که مورد نیاز است. در حال حاضر، این لیزر تنها می تواند پالسهایی را تولید کند و گام بعدی ، تولید پرتوی پیوسته نور لیزر خواهد بود. آن زمان ، لیزر سلیکونی به طور رسمی افقهای جدیدی را در فناوری روشن خواهد کرد. اگر رویای تولید لیزرهای سیلیکونی بتواند با رویای دیرینه تولید رایانه های نوری پیوند بزند باید در انتظار رویدادی بی نظیر در عرصه ارتباطات باشیم ؛ رویدادی که سرعت ارتباطات را به طرز شگفتی افزایش خواهد داد. باید منتظر چنین روزی بود.