كيف تُغذي الإلكترونيات الدورانية والجرافين الدوائر الكمومية من الجيل التالي

كيف يمكن للإلكترونيات الدورانية أن تُحدث ثورة في عالم الحوسبة

تدريجيًا، بدأ عالم الحوسبة المادية يتجاوز شرائح السيليكون، أو حتى الأشكال التقليدية للحوسبة الثنائية تمامًا. ويرجع ذلك إلى تزايد صعوبة بناء الشرائح والذاكرة التقليدية في حواسيبنا ومراكز البيانات، حيث لا يتجاوز حجم ترانزستورات الجيل الأحدث بضعة نانومترات.

وهناك عامل آخر يتمثل في أن استهلاك الطاقة أصبح يمثل مشكلة مع استمرار نمو الطلب على قوة الحوسبة، وخاصة لأنظمة الذكاء الاصطناعي.

هناك العديد من الحلول المقترحة، حيث تعد الحوسبة الكمومية والفوتونيات من أبرز الخيارات إما لتقليل الطلب على الحوسبة أو لجعلها أسرع وأقل استهلاكًا للطاقة.

وهناك تقنية أخرى وهي الدوران الإلكتروني، الذي يستخدم دوران الإلكترونات بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

نجح باحثون في جامعة دلفت للتكنولوجيا (هولندا)، ومعهد تسوكوبا الوطني لعلوم المواد (اليابان)، وجامعة فالنسيا (إسبانيا)، وجامعة ريغنسبورغ (ألمانيا)، وجامعة هارفارد (الولايات المتحدة الأمريكية)، في ابتكار جهاز جرافين إلكتروني دوراني جديد.

على عكس الإصدار السابق من هذه التقنية، لا تتطلب مغناطيسات قوية، مما يجعلها أكثر توافقًا مع المكونات الإلكترونية الأخرى. نُشرت نتائجهم في مجلة Nature Communications.¹، تحت عنوان "تأثير هول المغزلي الكمي في الجرافين المغناطيسي".

إمكانات Spintronics

تُصنع المكونات الإلكترونية، مثل الترانزستورات، تقليديًا من السيليكون وتعتمد على أشباه الموصلات. تشير إشارتا 0 و1 في النظام الثنائي إلى مرور أو انقطاع التيار الكهربائي.

الطريقة البديلة لإجراء العمليات الحسابية هي أجهزة الدوران الإلكتروني التي تعمل على دوران الإلكترونات (سمة كمية أساسية) بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المصدر إنسايت IAS

تتمتع Spintronics ببعض المزايا مقارنة بالأنظمة الإلكترونية الكلاسيكية، ولا سيما:

• بيانات أسرع، حيث يمكن تغيير الدوران بشكل أسرع بكثير.
• استهلاك أقل للطاقة، حيث يمكن تغيير الدوران بقدرة أقل مما يتطلبه الحفاظ على تدفق الإلكترونات لإنشاء تيار.
• يمكن استخدام المعادن البسيطة بدلاً من المواد شبه الموصلة المعقدة.

تُستخدم تقنية Spintronics بالفعل في محركات الأقراص الصلبة، وقد سمحت بزيادة سعة التخزين على مدار العقد الماضي.

"الدوران هو خاصية ميكانيكية كمية للإلكترونات، وهو يشبه مغناطيسًا صغيرًا تحمله الإلكترونات، ويشير إلى الأعلى أو الأسفل.

"يمكننا الاستفادة من دوران الإلكترونات لنقل ومعالجة المعلومات في ما يسمى بأجهزة الدوران الإلكتروني."

تاليه غياسي - باحث ما بعد الدكتوراهفأر جامعة دلفت للتكنولوجيا

الإلكترونيات الدورانية للحوسبة الكمومية

الفوائد الرئيسية لتكنولوجيا الدوران الإلكتروني للدوائر الكمومية

الدوران ليس تيارًا كهربائيًا، بل هو خاصية كمية أساسية للإلكترونات، حيث يتم تخزين المعلومات الكمية في اتجاه الدوران.

الميزة الرئيسية للإلكترونيات الدورانية هي أنها تُعنى بنقل العزوم المغناطيسية بدلاً من نقل الإلكترونات. لذا، لا حاجة لحركة المادة لنقل المعلومات.

وبما أن هذا العنصر الكمي في البداية، فإن فكرة إنشاء كيوبت دوراني مثيرة للاهتمام. تكمن المشكلة، كما هو الحال غالبًا في أنظمة الحوسبة الكمومية، في حفظ هذه المعلومات لفترات زمنية كافية وعلى مسافات كافية.

وربما يكون هذا هو بالضبط ما توصل الباحثون في هذه الدراسة إلى حله باستخدام الجرافين.

الجرافين للإلكترونيات الدورانية

الجرافين هو شكل من أشكال "المادة المعجزة" طبقة ثنائية الأبعاد من الكربون. إنها تمتلك إمكانات ليس فقط في مجال الحوسبة، بل أيضًا في الموصلية الفائقة, اتصالات, علوم الموادو الحفز.

لم يُستخدم فعليًا حتى الآن في الإلكترونيات الدورانية، على الرغم من خصائصه الكهربائية المذهلة. والسبب هو أن اكتشاف تيارات الدوران الكمومية في الجرافين يتطلب دائمًا مجالات مغناطيسية كبيرة، يكاد يكون من المستحيل دمجها على الشريحة.

تمكن الباحثون من تجاوز الحاجة إلى المجالات المغناطيسية الخارجية عن طريق وضع الجرافين فوق CrPS₄ (ثيوفوسفات الكروم)، وهو شبه موصل مضاد للمغناطيسية ثنائي الأبعاد.

لقد أدت هذه الطبقة المغناطيسية إلى تغيير الخصائص الإلكترونية للجرافين بشكل كبير، مما أدى إلى ظهور تأثير هول الدوران الكمي (QSH) في الجرافين.

"لاحظنا أن نقل الدوران في الجرافين يتم تعديله بواسطة CrPS4 المجاور بحيث أصبح تدفق الإلكترونات في الجرافين معتمدًا على اتجاه دوران الإلكترونات."

تاليه غياسي - باحث ما بعد الدكتوراهفأر جامعة دلفت للتكنولوجيا

يتيح تأثير QSH للإلكترونات التحرك بسهولة على طول حواف الجرافين دون انقطاع، مع محاذاة جميع دوراناتها في نفس الاتجاه.

"إن حقيقة أننا نحقق الآن تيارات الدوران الكمي دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية خارجية تفتح الطريق أمام التطبيقات المستقبلية لهذه الأجهزة الدورانية الكمومية."

تاليه غياسي - باحث ما بعد الدكتوراهفأر جامعة دلفت للتكنولوجيا

التوقعات المستقبلية لتكنولوجيا الدوران الإلكتروني القائمة على الجرافين

نظرًا لأن تيارات الدوران الكمومية "محمية طوبولوجيًا"، فإنها يمكن أن تقطع مسافات طويلة تصل إلى عشرات الميكرومترات دون فقدان معلومات الدوران في الدائرة.

تتميز تيارات الدوران المحمية طوبولوجياً بمتانتها ضد الاضطرابات والعيوب، مما يجعلها موثوقة حتى في الظروف غير المثالية. يُعد الحفاظ على إشارة الدوران دون أي فقدان للمعلومات أمرًا بالغ الأهمية لبناء دوائر الدوران الإلكتروني.

تاليه غياسي - باحث ما بعد الدكتوراهفأر جامعة دلفت للتكنولوجيا

يمهد هذا الاكتشاف الطريق نحو دوائر إلكترونية سبينية فائقة الرقة، مصنوعة من الجرافين. يمكن لتيارات السبين في الجرافين أن تُحدث نقلًا فعالًا ومتماسكًا للمعلومات الكمية. حتى الآن يقتصر الأمر على استخدام الضوء لربط مكونات الحوسبة الكمومية.

وعلى الرغم من أن هذا الاكتشاف لا يزال قيد التطوير، فإنه يوضح أن التصميم النهائي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية والشبكات الكمومية لم يتم تحديده بعد، ومن المرجح أن تلعب مواد مثل الجرافين دوراً على المدى الطويل (كجزء أكبر من أشباه موصلات الجرافين كفئة من المواد)، وكذلك الدوران الإلكتروني بشكل عام.

الاستثمار في شركات الجرافين

مجموعة تصنيع الجرافين (GMG)

شركة GMG هي شركة منتجة للجرافين ركزت عروض منتجاتها على المنتجات المعتمدة على الجرافين والتي أثبتت فعاليتها بالفعل مثل الطلاء الحراري ومواد التشحيم، مما يزيد من كفاءة المعدات الصناعية.

المصدر GMG

وهذا يجعل GMG خيارًا جيدًا للمستثمرين الذين يبحثون عن التعرض المباشر لسوق الجرافين وشركة نشطة بالفعل في إنتاج الجرافين بكميات كبيرة وتحسين طريقة الإنتاج الحالية.

إذا بدأ استخدام الجرافين على نطاق واسع في تطبيقات أخرى مثل الحوسبة، فإن الخبرة والقدرة التصنيعية لشركات الجرافين الحالية ستكون ميزة لدخول هذه الأسواق.

يمكن أن تكون بعض التطبيقات الأخرى هي إنشاء أشباه موصلات الجرافين (انظر "أشباه الموصلات من الجرافين – هل وصلت أخيرًا إلى هنا؟")، او حتى الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة. يمكن أيضًا استخدام طلاء الجرافين في البطاريات وفي تقنيات أوعية ضغط الهيدروجين.

تُنتج شركة GMG الجرافين من الميثان والهيدروجين، وهو ما يختلف عن معظم منافسيها الذين يُنتجونه من رواسب الجرافيت الطبيعية. هذا يسمح بنقاء أعلى، وقابلية أكبر للتوسع، وإنتاج منخفض التكلفة.

المصدر GMG

أطلقت الشركة أول منشأة إنتاج لها في أستراليا عام ٢٠٢٣، بطاقة إنتاجية تصل إلى مليون لتر من طلاء المبادلات الحرارية سنويًا. وهي الآن بصدد التوسع لإنتاج ١٠ ملايين طن سنويًا.

ستكون الخطوة التالية للشركة هي تطوير تقنية بطارياتها القائمة على أيون الجرافين والألومنيوم، حيث يُستخدم خليط الجرافين المُنتج كمادة مضافة لكاثودات بطاريات أيونات الليثيوم. وعلى المدى البعيد، قد يكون بديلاً كلياً للكاثودات القائمة على الجرافيت.

تُطوّر الشركة بطاريات أيون الجرافين والألومنيوم هذه باستخدام كاثود الجرافين، الذي يُمكن أن يصل إلى كثافة طاقة تبلغ 290 واط/كجم. طُوّرت هذه البطاريات بالشراكة مع شركة التعدين العملاقة ريو تينتو، وقد تُستخدم في البداية في الصناعات الثقيلة (مثل التعدين)، بدلاً من أسواق السيارات الكهربائية.

المصدر GMG

وتتوقع خارطة طريق تطوير البطاريات بناء مصانع تجريبية في عام 2025، واتخاذ قرار بشأن الاستثمار في مصنع على نطاق تجاري في عام 2026، وتشغيله في نهاية المطاف وشحنه الأول للعملاء بحلول عام 2027.

قد يكون هذا الدخول إلى سوق البطاريات مخاطرة كبيرة لشركة GMG، ولكنه يمنحها أيضًا فرصة فريدة في السوق المستقبلية التي قد تنفتح أمام الجرافين، بما في ذلك تخزين الطاقة وتطبيقات أخرى مرتبطة بالطاقة.

الدراسة المرجعية

^{1. غياسي، تي إس، بيتروسيان، د.، إنجلا-آينيس، جيه وآخرون. تأثير هول المغزلي الكمي في الجرافين المغناطيسي. Nature Communications 16، 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}