سونی هندی‌کم 4K خود را با بزرگنمایی 20 برابر معرفی کرد
کمپانی Ricoh دوربین 360 درجه جدید Theta S را در ایفا معرفی کرد
بررسی اسپیکر Z623 لاجیتک
اینتل تا سال ۲۰۱۹ حافظه‌ SSD با ظرفیت ۱۰۰ ترابایت روانه ...

سيستم ممريستور (قسمت اول)

سالي ادي، از نویسندگان نشريات IEEE با هیجانی که از اخبار مربوط به ساخته‌شدن ممریستور داشت، در وبلاگ Tech talk نوشته‌است: «خبرهای ما معمولاً به شکل ''کوچک‌ترین تراشه ساخته‌شده!''، ''دورترین صورت فلکی تصویر شده!" یا "قوی‌ترین میکروسکوپ ساخته‌شده!" هستند. این‌ها تقریباً جالب‌ترین خبرها در این گوشه دنیای روزنامه‌نگاری هستند (نه این که با ترانزیستورهای کوچک‌تر مشکلی داشته‌باشیم). اما بیایید ببینیم که سرخط اخبار امسال، سال آینده و سال بعدش یک جور خبر است. اما هرچند وقت یک بار درباره چیزی کاملاً تازه می‌نویسیم؟»

 

فیزیک‌دان در آغاز یک کتاب اپتیک غیرخطی نوشته‌بود: «آثار خطی به فیزیک زیبایی می‌دهند و آثار غیرخطی به آن هیجان می‌بخشند.» بی‌مناسبت نیست که یافتن و کنترل کردن پدیده ممریستنس(Memristance) و کارکرد ویژه آن، ممریستور، را نیز در میان هیجان‌هایی قرار دهیم که از دنیای پیچیده پدیده‌های غیرخطی برآمده‌است. چندین دهه از پیدایش صنعت میکروالکترونیک می‌گذرد و می‌توان گفت همه پیشرفت و پیچیدگی گذشته و کنونی این صنعت بر پایه سیستم‌های خطی مستقل از زمان بوده‌است که با نظریه سیستم LTI توصیف مي‌شود. هر کدام از ما که با فیزیک دبیرستانی آشنا باشیم، برخی از مهم‌ترین معادله‌های الکترونیک خطی را به خوبی می‌شناسیم: قانون اُهم: V=RI، قانون خازن‌ها:
dq=C.dV و نیز رابطه میان بار و جریان الکتریکی: dq=i.dt. البته، با شکل غیردیفرانسیلی این قانون‌ها آشناتر هستیم: q=C.V و مانند آن. اما سر و کار ما معمولاً با قطعه‌های «خوش‌رفتار» است، قطعه‌هایی که واکنش آن‌ها در برابر یک سیگنال ورودی، به سادگی با یک ضریب ثابت معلوم می‌شود.۳۸ سال پیش استاد جوانی در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی از این وضع ناخرسند بود. لئون چوا از یک سو به الکترونیک غیرخطی علاقه داشت و معتقد بود، ناشناخته‌ها و امکانات آن از سوی جامعه آکادمیک و صنعت مورد بی‌توجهی قرار گرفته‌اند و از سوی دیگر، الکترونیک را به عنوان مجموعه‌ای منسجم و پیوسته (و نه فقط به شکل گردآیه‌ای از ترفندها و قانون‌های مفید برای مهندسی) در نظر می‌آورد.

"هنگامی که چوا چهار کمیت بنیادی مدار (بار و جریان الکتریکی، اختلاف پتانسیل الکتریکی و شار مغناطیسی) را در رابطه با یکدیگر و نیز در رابطه‌شان با عنصرهای غيرفعال مدار مورد توجه قرار داد، پی به غیبت عنصر چهارم برد."


بگذارید باز هم جمله‌ای را از یک کتاب فیزیک نقل کنم. دیوید گریفیتس جایی در کتاب ذرات بنیادی‌اش نوشته‌است: «نخستین مرحله در پیشرفت هر دانشی، دسته‌بندی‌کردن است.» مندلیف با دسته‌بندی کردن عنصرها براساس خواص آن‌ها در جدول تناوبی توانست وجود و خواص عناصری نایافته را پیش‌گویی‌کند. "مندلیفِ" فیزیک ذرات بنیادی نیز مورِی گِل‌مان بود که با دسته‌بندی‌ ذرات بنیادی شناخته‌شده در راه‌های هشت‌گانه‌اش، توانست راه‌گشایی مشابهی را سبب شود. دسته‌بندی‌کردن معادله‌های الکتریسیته و مغناطیس به دست جیمز کلارک ماکسوِل و یافتن قطعه گم‌شده پازل الکترومغناطیس کلاسیک توسط او نیز یک نمونه زیبای دیگر است. در هر مورد، ذهن درخشانی تلاش کرده‌است به معلومات موجود در یک شاخه از دانش نظمی دهد و سپس با یافتن نظام حاکم بر آن، جای خالی یک یا چند عنصر بنیادی در آن نظام مشخص‌شده‌است. البته، در این میان به جز هوشمندی، جسارت نیز لازم بوده‌است. خودتان را جای مندلیف بگذارید و ببینید شهامتش را دارید وجود عنصرهای جدید را پیش‌گویی کنید؟

 

کشف شدن ممریستور نیز داستان مشابهی داشته‌است. کاشف فروتن ممریستور را باید لئون چوا دانست. هنگامی که او تکه‌های نظریه مدار را بر اساس فرض وجود یک نظام کلی در کنار هم نهاد، پی به وجود عنصر چهارم برد، عنصری که از یک سو به خاطر دور از دسترس‌بودن تجربی آن و از سوی دیگر به خاطر عدم احساس نیاز به آن از سوی جامعه علمی و صنعتی در دهه ۱۹۷۰ و پس از آن، مورد توجه شایسته‌قرار نگرفت. همگان با عنصرهای خطی غیرفعال (passive) مدار و نیز با دیودها و ترانزیستورها به قدر کافی شاد و راضی بودند و دردسر عنصری غیرخطی که نمود واضحی هم نداشت، چندان ضروری به‌نظر نمي‌رسد.


هنگامی که چوا چهار کمیت بنیادی مدار (بار و جریان الکتریکی، اختلاف پتانسیل الکتریکی و شار مغناطیسی) را در رابطه با یکدیگر و نیز در رابطه‌شان با عنصرهای غيرفعال مدار مورد توجه قرار داد، پی به غیبت عنصر چهارم برد (شکل۱). البته این را نمی‌شد در آن زمان یک کشف خواند، بلکه بیشتر صورت یک فرضیه را داشت. چوا (مانند مندلیف و گل‌مان) فرض کرده‌بود که در این نظام باید تقارن وجود داشته‌باشد و این تقارن او را به رابطه میان بار الکتریکی و شار مغناطیسی و نیز به ممریستور رهنمون کرد. از نظر فیزیکی فرضیه او چندان سرراست به‌نظر نمي‌رسيد، زيرا معمولاً از بار الکتریکی تا شار مغناطیسی یک مرحله میانی وجود دارد: بار باید به حرکت درآید و به شکل جریان، میدان مغناطیسی را ایجاد کرده یا با میدان مغناطیسی ایستا برهم‌کنش کند. میان یک بار الکتریکی ساکن و یک میدان مغناطیسی ثابت، برهم‌کنشی وجود ندارد. پس در همان زمان نیز معلوم بود که ممریستنس باید خاصیتی مربوط به ساز و کار درونی قطعه باشد، شاید هم به خواص مواد سازنده قطعه و ترکیب آن‌ها در ساختار قطعه مربوط بود. از سوی دیگر، ضریبی که می‌تواند بار الکتریکی را به شار مغناطیسی ربط دهد، باید ابعاد مقاومت الکتریکی را داشته‌باشد، یعنی باید از جنس مقاومت باشد.

 

سيستم ممريستور (قسمت اول)

چیزی که ممریستور را از قطعه‌های غيرفعال دیگر مدار متمایز می‌کند (به جز همین رابطه عجیبی که میان بار و شار برقرار می‌کند)، غیرخطی بودن ذاتی آن است. اگر ممریستنس یک قطعه (که با M نشان داده می‌شود) ثابت باشد، یعنی تغییر شار مغناطیسی مدار همواره مضرب ثابتی (همان M) از میزان بار جاری‌شده در مدار باشد، ممریستنس اساساً همان مقاومت خواهدبود و چندان جای شگفتی نخواهدداشت. اما اگر M خودش تابعی از q باشد، که به مفهوم غیرخطی شدن رفتار قطعه است، پدیده‌های جالب‌تری را می‌توان مشاهده کرد، پدیده‌هایی که در عین حال از یک مقاومت غیرخطی ساده متمایزند.

"چیزی که ممریستور را از قطعه‌های غيرفعال دیگر مدار متمایز می‌کند (به جز همین رابطه عجیبی که میان بار و شار برقرار می‌کند)، غیرخطی بودن ذاتی آن است."


نمودار جریان بر حسب ولتاژ برای یک ممریستور غیرخطی، به صورت یک منحنی لیساژو است که در فرکانس‌های مختلف تغییر شکل می‌دهد و از یک محدوده فرکانسی به بالا، به خط راست تبدیل می‌شود. منحنی‌های لیساژو شکل‌های بسته‌ای هستند که کاربران اسیلوسکوپ به خوبی با آن‌ها آشنایند. یک منحنی لیساژو زمانی به دست می‌آید که دو نوسان سینوسی عمود بر هم، اختلاف فاز و (احتمالاً) اختلاف فرکانس داشته‌باشند. نمودارهای ولتاژ و جریان در یک ممریستور غیرخطی نیز دقیقاً چنین حالتی نسبت به هم دارند: فرکانس یکسان و یک اختلاف فاز ثابت (شکل ۲ را برای یک نمونه شبیه‌سازی‌شده ببینید).

سيستم ممريستور (قسمت اول)