هر روز بدون اینکه بدانید از این فناوری کوانتومی استفاده می‌کنید!

در نگاه اول، شاید به نظر برسد که مفاهیم فناوری کوانتومی تنها در آزمایشگاه‌های پیشرفته یا در پروژه‌های عظیم فیزیک ذرات معنا پیدا می‌کنند، اما واقعیت این است که ما هر روز، بدون آنکه دقت کنیم، با یکی از بنیادی‌ترین پدیده‌های مکانیک کوانتومی، یعنی «تونل‌زنی کوانتومی» (Quantum Tunneling) سروکار داریم و این موضوع آن‌قدر اهمیت دارد که نوبل فیزیک 2025 را هم به خودش اختصاص داد!

‌ برای دیدن خلاصه این مقاله با هوش مصنوعی کلیک کنید!

تونل‌زنی کوانتومی در حقیقت اساس کار حافظه‌های جامد مانند «فلش مموری» (Flash Memory)، کارت حافظه SD و «درایوهای حالت جامد» (SSD) است که بخش جدایی‌ناپذیر زندگی دیجیتال امروزی شده‌اند. اما چگونه یک پدیده‌ی کوانتومی در خارج از آزمایشگاه و درون دستگاه‌های زندگی روزانه روی می‌دهد؟ برای فهمیدن این موضوع باید گذری به همان آزمایشگاه‌های کوانتومی داشته باشیم که این پدیده را کشف کردند!

تونل‌زنی کوانتومی چیست؟

حالا به قلب دنیای کوانتومی می‌رویم، جایی که ذرات در کوچک‌ترین مقیاس قوانین حاکم خود را بر فیزیک دارند. قوانینی که با فیزیک کلاسیک چندان جور درنمی‌آید. در مکانیک کلاسیک، اگر ذره‌ای با یک مانع برخورد کند و انرژی‌اش کمتر از انرژی لازم برای گذر از ارتفاع مانع باشد، نمی‌تواند از آن عبور کند. اما در دنیای کوانتومی، الکترون‌ها رفتاری غیرقابل پیش‌بینی دارند و حتی وقتی از نظر انرژی در سطح پایین‌تری نسبت به مانع قرار دارند، باز هم می‌توانند از میان مانع بگذرند! این همان پدیده‌ی شگفت‌انگیز تونل‌زنی کوانتومی است.

تونل‌زنی کوانتومی به بیان ساده
Credit: Cosmos Magazine

باید گفت که در مقیاس‌های زیراتمی، ذرات مانند توپ‌های کوچک نیستند، بلکه حالتی موج-مانند دارند. «تابع موج» (Wave Function) الکترون یا ، احتمال حضور آن را در مکان‌های مختلف توصیف می‌کند و اگر این تابع، حتی در سوی دیگر مانع، مقداری غیرصفر داشته باشد، احتمال عبور الکترون از مانع وجود دارد. به همین دلیل است که الکترون‌ها می‌توانند از میان لایه‌های بسیار نازک عایق عبور کنند. این همان مبنایی است که در حافظه‌های نیمه‌رسانا به طور مستقیم استفاده شده است.

از نظریه تا واقعیت: تاریخچه‌ی تونل‌زنی کوانتومی

پدیده‌ی تونل‌زنی نخستین بار در دهه‌ی 1920 میلادی و هم‌زمان با پایه‌گذاری مکانیک کوانتومی مطرح شد. فیزیک‌دانان بزرگی از جمله «نیلز بور» (Niels Bohr)، «ورنر هایزنبرگ» (Werner Heisenberg) و «اروین شرودینگر» (Erwin Schrodinger) در تلاش برای توضیح رفتار ذرات در مقیاس‌های اتمی بودند. اما در سال 1928، «جورج گاموف» (George Gamow) توانست با تحلیلی دقیق‌تر، پدیده‌ی تونل‌زنی را برای توضیح واپاشی هسته‌ای تشریح کند. جایی که ذرات آلفا، حتی اگر انرژی‌شان برای عبور از سد پتانسیل کافی نباشد، از هسته‌ی اتم‌ها خارج می‌شوند.

در دهه‌های بعد، مفهوم تونل‌زنی کوانتومی از سطح نظریه فراتر رفت. در سال 1958 فیزیک‌دانان «لئو ایساکی» (Leo Esaki)، «ایوار گیِوِر» (Ivar Giaever) و «برایان جوزفسون» (Brian Josephson) نقش این پدیده را در مواد ابررسانا و نیمه‌رسانا بررسی کردند. بدین ترتیب پژوهش‌های آن‌ها زمینه‌ساز ساخت ابزارهایی برای مهار و کنترل تونل‌زنی کوانتومی شد. از جمله این فناوری‌ها می‌توان به «دیود تونلی» (Tunnel Diode) و بعدها «ترانزیستورهای فلش» اشاره کرد.

از راست: جوزفسون، گیور، ایساکی
Credit: Cosmos Magazine, United Press ,IBM

این فناوری به قدری انقلابی است که نیمی از جایزه نوبل فیزیک 1973 به ایساکی و گیور برای اکتشافات تجربی آن‌ها درباره‌ی پدیده‌ی تونل‌زنی در نیمه‌رساناها و ابررساناها و نیم دیگر به جوزفسون برای پیش‌بینی‌های نظری درباره‌ی خواص یک ابرجریان گذرنده از مانع، به ویژه پدیده‌های موسوم به اثرات جوزفسون، اهدا شد. حالا در سال 2025، پس از بیش از نیم قرن، نسل تازه‌ای از دانشمندان برای توسعه‌ی فناوری‌هایی مبتنی بر همین پدیده، جایزه‌ی نوبل فیزیک را از آن خود کردند؛ فناوری‌هایی که در قلب اغلب وسایل الکترونیکی ما قرار دارند.

تونل‌زنی کوانتومی در حافظه‌های فلش و SSD

برای درک نقش تونل‌زنی در ذخیره‌سازهای جامد، باید بدانیم که حافظه‌های فلش از میلیون‌ها سلول حافظه تشکیل شده‌اند. هر سلول در اصل یک «ترانزیستور اثر میدانی» (MOSFET) است که لایه‌ای عایق از جنس سیلیسیم اکسید (SiO₂) دارد. در حافظه‌های معمولی، الکترون‌ها نمی‌توانند از این لایه عبور کنند، اما در حافظه‌های فلش، ضخامت لایه در حد چند نانومتر و به اندازه‌ای کم است که پدیده‌ی تونل‌زنی کوانتومی رخ می‌دهد و باعث عبور الکترون می‌شود.

درون هر سلول حافظه، دو ناحیه‌ی مهم «دروازه‌ی شناور» (Floating Gate) و «دروازه‌ی کنترل» (Control Gate) وجود دارد. هنگامی که می‌خواهیم داده‌ای را در حافظه بنویسیم (فرآیند Programming)، ولتاژ بالایی به دروازه‌ی کنترل اعمال می‌شود. این ولتاژ میدان الکتریکی قدرتمندی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود توسط فرآیند موسوم به «تونل‌زنی فاولر-نوردهایم» (Fowler–Nordheim Tunneling) از لایه‌ی اکسید عبور کرده و وارد دروازه‌ی شناور شوند.

شیوه‌ی کار فلش مموری
Credit: Spiceworks

بودن یا نبودن این الکترون‌ها در دروازه‌ی شناور، تعیین می‌کند که بیت ذخیره‌شده 1 یا 0 باشد. در زمان خواندن داده، مدار تشخیص می‌دهد که آیا الکترون‌ها در آن ناحیه وجود دارند یا نه و بر اساس همین، مقدار بیت را بازمی‌گرداند. در فرآیند پاک کردن (Erasing)، ولتاژ با جهت مخالف اعمال می‌شود تا الکترون‌ها دوباره از دروازه‌ی شناور به بیرون تونل بزنند. تمام این فرآیندها بدون قطعات مکانیکی انجام می‌شوند و همین ویژگی است که حافظه‌های فلش را سریع، مقاوم و کم‌مصرف کرده است.

از فلش مموری تا SSD: تحول ذخیره‌سازی

فناوری تونل‌زنی کوانتومی ابتدا در «حافظه‌های قابل پاک شدن الکترونیکی» (EEPROM‌) استفاده شد. در دهه‌ی 1980، با بهبود فرآیند ساخت و کاهش ضخامت لایه‌ی اکسید، حافظه‌های فلش NAND و NOR معرفی شدند که توانستند داده‌ها را بدون نیاز به انرژی دائم در خود نگه دارند و در برابر شوک مکانیکی هم بسیار مقاوم‌تر باشند.

با گذشت زمان، این فناوری در مقیاس وسیع‌تر وارد رایانه‌ها شد و در قالب درایوهای SSD انقلابی در سرعت و پایداری ذخیره‌سازی به وجود آورد. درایوهای SSD هم از همان پدیده‌ی تونل‌زنی برای نوشتن و پاک کردن اطلاعات بهره می‌برند، اما این بار در ساختارهای چندلایه (3D NAND) که میلیون‌ها سلول را در هر میلی‌متر مکعب در خود جای داده است. بدین ترتیب، تونل‌زنی کوانتومی دیگر فقط یک پدیده‌ی آزمایشگاهی نیست؛ بلکه ستون فقرات فناوری‌های ذخیره‌سازی مدرن به شمار می‌رود.

استفاده از ساختارهای سه‌بعدی تونل کوانتومی در SSD
Credit: Storedbits, Digikala Mag

امروزه این فناوری حتی در گوشی‌های هوشمند هم به‌کار می‌رود. حافظه‌ی داخلی گوشی‌ها، چه از نوع UFS در مدل‌های جدید و چه eMMC در مدل‌های قدیمی‌تر، در اصل بر پایه‌ی NAND Flash ساخته شده‌اند و عملکرد آن به پدیده‌ی تونل‌زنی کوانتومی وابسته است. به همین دلیل است که گوشی‌های همراه می‌توانند داده‌ها را بدون منبع تغذیه‌ی دائمی نگه دارند و اطلاعات را با سرعت بالا ذخیره یا بازیابی کنند.

پیشگامان تجاری تونل‌زنی کوانتومی

هرچند پدیده‌ی تونل‌زنی کوانتومی در دهه‌های میانی قرن بیستم به‌صورت نظری شناخته شد، اما کاربردی شدن آن در قالب حافظه‌های فلش نتیجه‌ی تلاش شرکت «توشیبا» (Toshiba) و مهندس ژاپنی «فوجیو ماسوکا» (Fujio Masuoka) بود. او در اوایل دهه‌ی 1980 با طراحی سلول‌های حافظه‌ای مبتنی بر تونل‌زنی فاولر–نوردهایم توانست نمونه‌ی اولیه‌ی EEPROM و سپس حافظه‌ی NAND Flash را توسعه دهد. دستاوردی که در سال 1987 به معرفی نخستین تراشه‌ی فلش NAND توسط توشیبا انجامید و مسیر تحول ذخیره‌سازی داده را رقم زد.

تقریبا هم‌زمان، شرکت «اینتل» (Intel) هم نوع دیگری از این فناوری را با عنوان NOR Flash توسعه داد که امکان اجرای مستقیم را کد از روی تراشه فراهم کرد. بعدها، با ورود شرکت‌هایی مانند «سامسونگ» (Samsung)، میکرون (Micron) و شرکت کره‌ای «اس‌کی هاینیکس» (SK Hynix)، فناوری فلش از سلول‌های دوبعدی به ساختارهای سه‌بعدی ارتقا یافت و ظرفیت و دوام حافظه‌ها چندین برابر شد تا پژوهش‌های کوانتومی قرن بیستم به یکی از سودآورترین و پرکاربردترین فناوری‌های قرن 21 تبدیل شوند.

توشیبا نقشی کلیدی در توسعه‌ی حافظه‌های امروزی دارد.
Credit: Toshiba

نوبل فیزیک 2025

برندگان جوایز نوبل 2025 در فیزیک، پژوهشگرانی هستند که توانسته‌اند روش‌های کنترل دقیق‌تر تونل‌زنی کوانتومی در ساختارهای نیمه‌رسانا را توسعه دهند. این دستاورد به ساخت تراشه‌هایی با مصرف انرژی پایین‌تر و سرعت بالاتر کمک کرده است. پژوهش آن‌ها باعث شده حافظه‌های آینده نه تنها کوچک‌تر و سریع‌تر، بلکه دارای پایداری داده‌ای چند ده ساله باشند. به گفته‌ی کمیته‌ی نوبل، این پیشرفت‌ها مرز میان علوم بنیادین و فناوری روزمره را از میان برده‌اند و باعث شده‌اند پدیده‌ای که زمانی صرفا نظری به نظر می‌رسید، حالا در جیب همه‌ی ما قرار داشته باشد!

برگزیدگان نوبل فیزیک 2025
Credit: Nobel Prize

آینده‌ی فناوری تونل‌زنی

هم‌اکنون دانشمندان در حال بررسی روش‌هایی برای ترکیب تونل‌زنی کوانتومی با مواد دو‌بعدی مانند «گرافن» (Graphene) و «مولیبدن دی‌سولفید» (MoS₂) هستند تا حافظه‌هایی با سرعت نوشتن و پایداری بیشتر تولید کنند. همچنین ایده‌ی «حافظه‌های کوانتومی» (Quantum Memory) واقعی هم در حال توسعه است؛ جایی که اطلاعات نه به صورت صفر و یک، بلکه در حالت‌های «برهم‌نهی» (Superposition) ذخیره می‌شود. با این روند، فناوری‌هایی که روزی در حد نظریه‌های فیزیکی بودند، اکنون در مسیر شکل دادن به آینده‌ی رایانش، ذخیره‌سازی داده‌ها و زیست بشر قرار دارند.

شرکت‌هایی مانند وی‌لینک در زمینه‌ی توسعه‌ی حافظه کوانتومی تجاری پیشگام هستند.
Credit: Welinq

جمع‌بندی

تونل‌زنی کوانتومی که زمانی تنها در معادلات شرودینگر و مدل‌های نظری فیزیک معنا داشت، امروز در قلب ابزارهای دیجیتال می‌تپد. از فلش مموری کوچک برای حمل اطلاعات، تا حافظه‌های SSD که سرعت کامپیوترهای مدرن را تعیین می‌کنند، همه به لطف این پدیده‌ی ظریف و شگفت‌انگیز کار می‌کنند. این از اثرات جذاب فیزیک است که در زندگی جاری می‌شود و حالا می‌دانید که هر بار فایلی را در یک حافظه ذخیره می‌کنید یا عکس دیجیتالی می‌گیرید، در واقع از یکی از اسرارآمیزترین جلوه‌های فیزیک کوانتوم بهره می‌برید.

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

نوشته هر روز بدون اینکه بدانید از این فناوری کوانتومی استفاده می‌کنید! اولین بار در دیجی‌کالا مگ. پدیدار شد.