حميده احمديان راد

مهندسان به يك سرگشتگي 80 ساله در عرصه فيزيك كوانتوم پايان داده اند و قدم در راه توسعه مواد جديدي گذاشتند كه مي تواند دستگاه هاي الكترونيكي را كوچك تر و بهره وري انرژي در خودروها را بيشتر كند.

قضيه از اين قرار است كه محققان دانشگاه پرینستون با كار دوباره بر روي يك نظريه كه اولين بار به وسيله فيزيكدانان دهه 1920 پيشنهاد شده بود، راه جديدي را براي پيش بيني مشخصات يك ماده جديد، قبل از اين كه ساخته شود كشف كرده اند.
فرمول جديد به رايانه ها اجازه مي دهد تا مشخصات يك ماده را بيش از 100 هزار برابر سريع تر از قبل مدل سازي كنند و دامنه مشخصاتي كه دانشمندان مي توانند مطالعه كنند را به طور وسيعي گسترش دهند.
معادلاتي كه دانشمندان پيش از اين مورد استفاده قرار مي دادند كم بازده و ناكارا بود و نيروي زيادي صرف محاسبات مي شد. به طوري كه كارشناسان تنها به مدل سازي از چند صد اتم از يك ماده كامل محدود مي شدند. اما اكثر مواد كامل نيستند. مشخصات مهم درواقع با نقص ها تعيين مي شوند. شما براي فهم اين نقص ها نياز داريد تا به هزارها و يا ده ها هزار اتم نگاه كنيد. به طوري كه نقص هايي كه وجود دارد را شامل شود.
با استفاده از معادله جديد دانشمندان توانستند يك ميليون اتم را مدل سازي کنند. به اين ترتيب به مشخصات واقعي ماده نزديك تر شدند. به اين ترتيب دانشمندان چشم اندازي از اين كه مواد در دنياي واقعي چگونه رفتار مي كنند، پيدا مي كنند. آنها به اين ترتيب به ابزاري براي پيشرفت دادن موادي كه مي توانند براي طراحي فناوري هاي جديد مورد استفاده قرار گيرند دست مي يابند.
با پيشرفت به دست آمده مي توان قاب خودروها را از آلياژهاي فلزي محكم تر و سبك تري ساخت. يا مي توان ماشين آلاتي با امكان بهره وري بهتر از انرژي توليد كرد. همچنين امكان توليد دستگاه هاي الكترونيكي كوچك تر و پر سرعت تري، با استفاده از نانووايرهايي با قطر ده ها هزار برابر كوچك تر از يك تار موي انسان به وجود مي آيد.

- - - به روز رسانی شده - - -

ردپاي تئوري جديد را مي توان در معادله توماس-فري پيدا كرد. مفهومي كه به وسيله ليولين هيليت توماس و انريكو فرمي برنده جايزه نوبل در سال 1927 پيشنهاد داده شد.

تئوري اين دو دانشمند براساس انرژي الكترون ها بود. دانستن درباره انرژي جنبشي الكترون ها به محققان كمك مي كند تا ساختمان و مشخصات ديگر يك ماده را تعيين كنند. مثل اين كه شكل آن در پاسخ به فشار فيزيكي چه تغييري مي كند. گير قضيه اين بود كه مفهوم توماس و فرمي براساس يك گاز تئوريكي است كه در آن الكترون ها به طور مساوي گسترش مي يابند. به اين ترتيب اين تئوري نمي توانست براي پيش بيني مشخصات مواد واقعي كه تراكم الكترون ها در آنها كمتر يكدست است مورد استفاده قرار بگيرد.
در سال 1964 پيشرفتي حاصل شد. در اين سال دو دانشمند ديگر به نام هاي پير هوهنبرگ و والتر كوهن برنده جايزه نوبل، ثابت كردند كه مفاهيم پيشنهاد شده به وسيله توماس و فرمي نمي توانست به مواد واقعي هم پاسخ دهد. در آن موقع آنها معادله نهايي اي را براي نشان دادن ارتباط مستقيم بين انرژي جنبشي الكترون ها با توزيع آنها پيشنهاد ندادند. اما شالوده اي را بنيان نهادند كه ثابت مي كرد چنين معادله اي وجود دارد. دانشمندان از آن زمان تاكنون در جست و جوي يك تئوري كاربردي در اين زمينه بوده اند.
كارتر در سال 1999 براي حل مشكل بنا را بر كار كردن روي نظرات كوهن و هوهنبرگ گذاشت. او به تراش دادن و تحليل مشكل ادامه داد.
كارتر و گروهش يك مدل كاربردي دقيق را براي پيش بيني انرژي جنبشي الكترون ها در فلزات ساده به وجود آوردند. اما موقعي كه سعي كردند تا همان مدل را براي نيمه هادي ها –نيمه هادي مواد رسانايي هستند كه در دستگاه هاي الكترونيكي مدرن مورد استفاده قرار مي گيرند- پيش بيني هاي آنها دقيق نبود. سپس به اين نتيجه رسيدند كه فلزات و نيمه هادي ها به حوزه هاي الكتريكي به شكل متفاوتي پاسخ مي دهند گمشده مدل آنها اين بود.
سرانجام آنها معادله اي كه به هر دو نوع ماده جواب مي داد را پيدا كردند و فهميدند كه يك مدل براي دامنه گسترده اي از مواد كار مي كند.
مدل جديد آنها گستره عناصر و ميزان موادي كه مي توان به طور دقيق شبيه سازي كرد را گسترش مي دهد و سرعت ابداعات آينده را بيشتر مي كند.