ஒரே ஒரு மீக்கடத்திச் சுழலால் ஆன நினைவக பிட்

1961-இல், Landauer தகவலை வெப்பத்துடன் இணைத்தார்: நினைவகத்தின் ஒரு பிட்டை மீளமுடியாதபடி அழிப்பது, குறைந்தபட்சம் ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு வெப்பத்தை — k_B T ln 2; இதில் T என்பது வெப்பநிலை, k_B என்பது இயற்பியலின் ஒரு நிலையான எண்ணான போல்ட்ஸ்மான் மாறிலி (Boltzmann’s constant) — வெளியிட வேண்டும்: அந்தச் செலவு வெப்பநிலையை மட்டுமே சார்ந்தது. ஒளியியல் இடுக்கிகளால் (optical tweezers) நகர்த்தப்படும் நுண்ணிய மணிகள், பெரிய மீக்கடத்திச் சுற்றுகள், ஒற்றை-மூலக்கூறு காந்தங்கள் ஆகியவற்றைக் கொண்டு இந்த வரம்பு முன்பே நெருங்கப்பட்டுள்ளது.

ஒரு பிட்டை ஒரு மீக்கடத்திச் சுழலின் (superconducting vortex) நிலையிலும் சேமிக்கலாம் — ஒரு மீக்கடத்திக்குள் உள்ள மிகச் சிறிய சுழிப்பு; ஒரு காந்த ஆய்வுமுனை அதை காந்தப்புலத்தின் ஒரு நுண்ணிய புள்ளியாகக் காண்கிறது. இன்றைய குவாண்டம் கணினிகள் இயங்கும் ஆழ்ந்த குளிரில் செயல்படக்கூடிய, மிகச் சிக்கனமான நினைவகங்களுக்கு இத்தகைய பிட்கள் வேட்பாளர்கள். ஆனால் ஒரு சுழலைச் சில நானோமீட்டர் நகர்த்த எவ்வளவு ஆற்றல் செலவாகிறது? முந்தைய சோதனைகள், ஒற்றைச் சுழல்கள் ஆற்றலைச் சிதறடிப்பதைக் கண்டன, ஆனால் அதற்கு ஒருபோதும் ஓர் எண்ணைக் குறிக்கவில்லை; இவ்வளவு குறைந்த வெப்பத்தைப் பிடிக்கும் அளவுக்கு உணர்திறன் கொண்ட வெப்பமானி எதுவும் இல்லை.

வெப்பமானி இல்லாமல் ஒரு கிசுகிசுப்பை எடைபோடுதல்

ஜெருசலேம் எபிரேயப் பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory மற்றும் சக ஆய்வாளர்கள், அமெரிக்கா, சுவிட்சர்லாந்து, ஜெர்மனி ஆகிய நாடுகளில் உள்ள கூட்டாளிகளுடன் சேர்ந்து, வேறொரு வழியைப் பின்பற்றினர். அவர்கள் 55 நானோமீட்டர் தடிமனுள்ள ஒரு நியோபியப் படலத்தை 10 மைக்ரோமீட்டர் அகலமுள்ள ஒரு பட்டையாக வடிவமைத்து, அதை 4.2 கெல்வினுக்குக் குளிர்வித்தனர். தன் முனையில் ஒரு மீக்கடத்தி உணரியைச் சுமந்த ஒரு வருடு நுண்ணோக்கி (ஒரு “SQUID-on-tip”; அதன் வளையம் சுமார் 250 நானோமீட்டர் குறுக்களவு கொண்டது), 300 நானோமீட்டர் உயரத்தில் மிதந்தபடி, தனிமைப்பட்ட ஒற்றைச் சுழல் ஒன்றைக் கண்டுபிடிக்கும் வரை காந்தப்புலத்தை வரைபடமாக்கியது.

பிறகு ஓர் அலைவுறும் மின்னோட்டம், ஃபெம்டோநியூட்டன்களில் (femtonewtons; ஒரு நியூட்டனின் பில்லியனில் ஒரு பங்கின் மில்லியனில் ஒரு பங்கு) கணக்கிடப்படும் விசைகளுடன் — 4 முதல் 100-க்கும் மேல் வரை; அரை மில்லிஆம்பியர் மின்னோட்டம் சுமார் 65 தருகிறது — சுழலை முன்னும் பின்னும் தள்ளியது. நுண்ணோக்கி அந்த இயக்கத்தைச் சுமார் 0.3 நானோமீட்டர் உணர்திறனுடன் பின்தொடர்ந்தது. திறவுகோல் நேரக்கணிப்புதான்: இயக்கத்தில் தள்ளுதலுக்குப் பின்தங்கும் பகுதி, ஒவ்வொரு சுற்றிலும் சுழல் மீது செய்யப்பட்ட வேலையையும், ஆகவே அது சிதறடிக்கும் ஆற்றலையும் அளக்கிறது. வெப்பநிலை அளவீடு தேவையில்லை.

இரண்டு குழிவுகள், ஒரு பிட்

இந்தப் படலம், ஒரு சுழல் சிக்கிக்கொள்ளும் (“நிலைப்படுத்தப்படும்”, pinning) குழிவுகளால் ஆன ஒரு நிலப்பரப்பை வழங்குகிறது. ஒற்றைக் குழிவில், சுழல் கண்டறிய முடியாத அளவுக்கு மிகக் குறைந்த ஆற்றலையே வீணாக்குகிறது. சுவாரசியமான இடங்கள் இரட்டைக் கிணறுகள் (double wells): ஒரு சிறிய ஆற்றல் தடையால் பிரிக்கப்பட்ட, அருகருகே உள்ள இரண்டு ஓய்விடங்கள். இடது அல்லது வலது — அதுவே ஒரு பிட். குழு, ஒரு நிலையான மின்னோட்டத்தால் நிலப்பரப்பை மெதுவாகச் சாய்த்து இத்தகைய இடங்களைக் கண்டறிந்தது; ஒரு காட்டிக்கொடுக்கும் சமிக்ஞையால் அவற்றை உறுதிப்படுத்தியது: தனியே விடப்பட்டபோது, சுழல் இரண்டு நிலைகளுக்கு இடையே சீரற்ற முறையில் மினுங்கியது.

ஒரு மாறுநிலை விசைக்குக் கீழே, தள்ளப்பட்ட சுழல் தன் குழிவிலேயே தங்குகிறது; எந்த வேலையும் தென்படுவதில்லை. அந்த விசைக்கு அருகே, அது அவ்வப்போது மறுபக்கத்துக்குத் தாவத் தொடங்குகிறது; வேலை சட்டென உயர்கிறது. அதற்கு வெகு மேலே, சுழல் ஒவ்வோர் அரைச் சுற்றிலும் தடையைக் கடக்கிறது; வேலை சமநிலைக்கு வருகிறது. இரட்டைக் கிணற்றைப் பொறுத்து, அந்தச் செலவு பரவலாக மாறுபட்டது — ஒரு முழு முன்னும் பின்னுமான சுற்றுக்கு Landauer வரம்பின் நான்கு மடங்கு வரை குறைந்தது.

மிகத் தாழ்ந்த தடைகள் கொண்ட இரண்டு இரட்டைக் கிணறுகளில், தள்ளப்படாதபோது, வெப்பம் மட்டுமே சுழலைத் தாவச் செய்தது — வினாடிக்குச் சுமார் 7,000 மற்றும் 3,000 முறை. அந்த மினுக்கத்திலிருந்து அளக்கப்பட்ட வீதங்கள், இயக்கப்பட்ட அசைவிலிருந்து பொருத்திப் பெறப்பட்ட வீதங்களுடன் ஒத்துப்போயின; ஒரு தடையைத் தாண்டித் தாவும் சுழலின் கணினி மாதிரி ஒன்று அளவீடுகளை மீளுருவாக்கியது.

வரம்புக்குக் கீழே — அது ஏன் அனுமதிக்கப்படுகிறது

குறைந்த இயக்க அதிர்வெண்களில், ஒவ்வொரு சுற்றுக்கும் அளக்கப்பட்ட வேலை Landauer வரம்புக்குக் கீழே விழுந்தது. எந்த விதியும் ஏன் மீறப்படவில்லை என்று ஆசிரியர்கள் விளக்குகின்றனர். Landauer வரம்பு, மதிப்பு அறியப்படாத ஒரு பிட்டை அழிப்பதைப் பற்றியது: பாதி நேரம் அது ஏற்கெனவே இலக்கு நிலையில் இருக்கிறது. நிலையான ஒரு முன்னும் பின்னுமான அசைவு வேறுபட்டது: ஒவ்வொரு தள்ளுதலும் நன்கு வரையறுக்கப்பட்ட ஒரு நிலையிலிருந்து தொடங்குகிறது.

எனவே அவர்கள் உண்மையான ஓர் அழிப்பை உருவகப்படுத்தினர்: சுழல் இரண்டு குழிவுகளில் ஏதேனும் ஒன்றில் சீரற்ற முறையில் தொடங்குகிறது; நிலப்பரப்பு ஒரு சுற்றின் கால் பங்கு நேரத்தில் ஒருமுறை சாய்க்கப்படுகிறது; 1,000 ஓட்டங்களின் சராசரி எடுக்கப்படுகிறது. அதிக அதிர்வெண்ணில், இதன் செலவு ஒரு முழு முன்னும் பின்னுமான சுற்றை விட நான்கு மடங்கு குறைவு: ஒரு சுற்றில் இரண்டு தாவல்கள் நிகழ்கின்றன, ஓர் அழிப்பில் ஒன்றே; மேலும் பாதி நேரம் ஓர் அழிப்புக்குத் தாவலே தேவைப்படுவதில்லை. குறைந்த அதிர்வெண்ணில், Landauer கோருவது போலவே, உண்மையான அழிப்பு வரம்புக்கு மேலேயே இருக்கிறது. நிலையான ஆட்டம் கீழே இறங்குவதற்குக் காரணம்: பிட் அமைக்கப்படும்போது வெப்பமாக வெளியாகும் ஒழுங்கின்மையை (என்ட்ரோபி, entropy), வெப்பம் அதை மீண்டும் கலைக்கும்போது சுழல் திரும்ப எடுத்துக்கொள்கிறது — இந்தக் கொடுக்கல்-வாங்கலை, விரியும் ஒரு வாயு குளிர்வதுடன் ஆசிரியர்கள் ஒப்பிடுகின்றனர். ஆனால் அவ்வளவு அடிக்கடி தானாகவே தாவும் ஒரு சுழல் எப்படியும் ஒரு பிட்டைத் தக்கவைக்க முடியாது.

பயன்படுத்தக்கூடிய ஒரு பிட்டுக்கான இறுதி முடிவு, அவர்களின் உருவகப்படுத்துதலின்படி: கருவி இயக்கக்கூடிய அதிகபட்ச வேகமான 150 கிலோஹெர்ட்ஸில், Landauer வரம்பின் சுமார் ஐந்து மடங்கு — இந்த அதிர்வெண்ணில், அதே இரட்டைக் கிணற்றுக்குக் குறைந்த அதிர்வெண்ணில் ஆவதை விட ஒவ்வொரு சுற்றுக்கும் அதிகம் செலவாகிறது.

அது எவ்வளவு வேகமாகச் செல்ல முடியும்?

ஒரு சுழல் குழிவு மாற சுமார் 4 நானோவினாடிகள் எடுக்கிறது என்று ஆய்வாளர்கள் மதிப்பிடுகின்றனர்; அது வினாடிக்கு 25 கோடி செயல்பாடுகளுக்குப் போதுமானது, ஏறக்குறைய Landauer வரம்பின் பத்து மடங்கு செலவில். பிற பொருள்களும் வடிவமைக்கப்பட்ட நிலைப்படுத்தும் இடங்களும் இன்னும் வேகமாகச் செல்லக்கூடும். சுழல் பிட்களை, குவாண்டம் செயலிகளுக்கு நேர் அருகிலேயே அமர்ந்திருக்கும் மரபார்ந்த நினைவகமாகவும், மேலும் தொலைநோக்கில், சுழல்களை நகர்த்துவதை அடிப்படையாகக் கொண்ட குவாண்டம் கணினித் திட்டங்களுக்கான ஒரு கருவியாகவும் அவர்கள் காண்கின்றனர்.

ஒரு படி இன்னும் மீதமுள்ளது: அவர்களின் அளவீடு நிலையான ஓர் அலைவைச் சார்ந்துள்ளது; எனவே ஒற்றை, உண்மையான ஓர் அழிப்பின் செலவை அதனால் இன்னும் நேரடியாக அளக்க முடியாது — அந்த எண் இன்னும் உருவகப்படுத்தலையே சார்ந்துள்ளது.