كيف يمكن للسبينترونيك والجرافين تمكين الدوائر الكمومية من الجيل التالي

كيف يمكن للسبينترونيك إحداث ثورة في الحوسبة

Progressively, the world of hardware computing is starting to look beyond silicon chips, or even classical forms of binary computing altogether. This is because the usual chips and memory in our computers and data centers are getting increasingly difficult to build, with the latest generation having transistors barely a few nanometers in size.

عامل آخر هو أن استهلاك الطاقة أصبح مشكلة مع تزايد الطلب على قوة الحوسبة، خاصةً في أنظمة الذكاء الاصطناعي.

هناك العديد من الحلول المقترحة، حيث تُعد الحوسبة الكمومية والفوتونيات الخيارين الأكثر بروزًا إما لتقليل الطلب على الحوسبة أو لجعلها أسرع وأقل استهلاكًا للطاقة.

أخرى هي السبينترونيك، التي تستخدم دوران الإلكترونات بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

قام باحثون في جامعة دلفت للتكنولوجيا (هولندا)، ومعهد تسوكوبا الوطني لعلوم المواد (اليابان)، وجامعة فالنسيا (إسبانيا)، وجامعة ريجنسبورغ (ألمانيا)، وجامعة هارفارد (الولايات المتحدة) بإنشاء جهاز جرافين سبينترونيكي جديد.

Contrary to the previous version of this technology, it does not require powerful magnets, making it much more compatible with other electronics components. They published their results in Nature Communications¹, under the title “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

إمكانات السبينترونيك

Electronic components like transistors are traditionally built out of silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current.

طريقة بديلة لأداء الحوسبة هي أجهزة السبينترونيك التي تعمل على دوران الإلكترونات (خاصية كمومية أساسية) بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المصدر: Insight IAS

للسبينترونيك بعض المزايا على الأنظمة الإلكترونية التقليدية, notably:

• بيانات أسرع، حيث يمكن تغيير الدوران بسرعة أكبر.
• استهلاك طاقة أقل، حيث يمكن تغيير الدوران بقدرة أقل مما يتطلبه الحفاظ على تدفق الإلكترونات لتوليد التيار.
• يمكن استخدام معادن بسيطة بدلاً من مواد أشباه الموصلات المعقدة.

Spintronics is already used for hard drives and has allowed storage capacity to grow over the last decade.

“الدوران هو خاصية ميكانيكية كمية للإلكترونات، تشبه مغناطيسًا صغيرًا تحمله الإلكترونات، وتكون إما إلى الأعلى أو إلى الأسفل.

يمكننا الاستفادة من دوران الإلكترونات لنقل ومعالجة المعلومات في ما يُسمى بأجهزة السبينترونيك.

Talieh Ghiasi – باحث ما بعد الدكتوراه في Delft University of Technology

السبينترونيك للحوسبة الكمومية

الفوائد الرئيسية للسبينترونيك للدوائر الكمومية

Spin is not an electric current, but a fundamental quantum characteristic of electrons, where the quantum information is stored in the orientation of the spin.

الميزة الرئيسية للسبينترونيك هي أنه يتعامل مع نقل العزوم المغناطيسية بدلاً من نقل الإلكترونات. وبالتالي لا يلزم تحريك المادة لنقل المعلومات.

وبما أن هذا عنصر كمومي في أصله، فإن فكرة إنشاء كيوبيت دوران مثيرة للاهتمام. المشكلة، كما هو شائع في أنظمة الحوسبة الكمومية، هي الحفاظ على هذه المعلومات لفترات زمنية ومسافات كافية.

And this might be just what the researchers in this study figured out how to solve, using graphene.

الجرافين للسبينترونيك

Graphene is a “miracle material” form of a طبقة كربون ثنائية الأبعاد. It has potential not only in computing, but also in التوصيل الفائق, الاتصالات, علوم المواد, and التحفيز.

حتى الآن لم يُستخدم الجرافين فعليًا في السبينترونيك، على الرغم من خصائصه الكهربائية المميزة. السبب هو أن اكتشاف التيارات الدورية الكمومية في الجرافين يتطلب دائمًا حقولًا مغناطيسية كبيرة لا يمكن دمجها عمليًا على الرقاقة.

تمكن الباحثون من تجاوز الحاجة إلى الحقول المغناطيسية الخارجية عن طريق وضع طبقة من الجرافين فوق مادة CrPS₄ (كرومايوم ثيوفوسفات)، وهو شبه موصل مضاد مغناطيسي ثنائي الأبعاد.

This magnetic layer significantly altered the graphene’s electronic properties, giving rise to the quantum spin Hall (QSH) effect in graphene.

“لاحظنا أن نقل الدوران في الجرافين يتغير بفضل وجود CrPS4 المجاور بحيث يصبح تدفق الإلكترونات في الجرافين معتمدًا على اتجاه دوران الإلكترونات.”

Talieh Ghiasi – باحث ما بعد الدكتوراه في Delft University of Technology

The QSH effect enables electrons to move effortlessly along the edges of graphene without disruption, with all their spins aligned in the same direction.

“إن حقيقة أننا الآن نحقق التيارات الدورية الكمومية دون الحاجة إلى حقول مغناطيسية خارجية تفتح الطريق لتطبيقات مستقبلية لهذه الأجهزة السبينترونية الكمومية.”

Talieh Ghiasi – باحث ما بعد الدكتوراه في Delft University of Technology

نظرة مستقبلية للسبينترونيك القائم على الجرافين

Because the quantum spin currents are “topologically protected”, they can travel tens of micrometres long distances without losing the spin information in the circuit.

“هذه التيارات الدورية المحمية طوبولوجيًا قوية ضد الاضطرابات والعيوب، مما يجعلها موثوقة حتى في الظروف غير المثالية. الحفاظ على إشارة الدوران دون أي فقدان للمعلومات أمر حيوي لبناء دوائر سبينترونية.”

Talieh Ghiasi – باحث ما بعد الدكتوراه في Delft University of Technology

This discovery paves the way toward ultra-thin, graphene-based spintronic circuits. The spin currents in graphene could create an efficient and coherent transfer of quantum information, الذي كان محدودًا حتى الآن باستخدام الضوء لربط مكونات الحوسبة الكمومية.

So while it is still a work in progress, this discovery makes clear that the ultimate design of quantum computers and quantum networks is yet to be decided, with materials like graphene likely to play a role in the long term (as a larger part of أشباه موصلات الجرافين كفئة من المواد), as well as spintrics in general.

الاستثمار في شركات الجرافين

Graphene Manufacturing Group (GMG)

تُعد GMG منتجًا للجرافين يركز عروض منتجاته على منتجات معتمدة مسبقًا تعتمد على الجرافين مثل طلاء الحرارة ومزلقات، مما يزيد من كفاءة المعدات الصناعية.

المصدر: GMG

يجعل هذا من GMG خيارًا جيدًا للمستثمرين الذين يبحثون عن تعرض مباشر لسوق الجرافين وشركة نشطة بالفعل في الإنتاج الضخم للجرافين وتحسين طريقة الإنتاج الحالية.

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

بعض التطبيقات الأخرى قد تكون إنشاء أشباه موصلات الجرافين (انظر “أشباه موصلات الجرافين – هل هي أخيرًا هنا؟”)، أو حتى الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة. قد يُستخدم طلاء الجرافين أيضًا في البطاريات وتقنيات أوعية الضغط الهيدروجيني.

تنتج GMG الجرافين من الميثان + الهيدروجين، وهو ما يختلف عن معظم منافسيها الذين ينتجونه من رواسب الجرافيت الطبيعية. يتيح ذلك نقاءً أعلى، وقابلية توسع أكبر، وإنتاجًا منخفض التكلفة.

المصدر: GMG

أطلقت الشركة أول منشأة إنتاج لها في أستراليا عام 2023، بقدرة تصل إلى مليون لتر من إنتاج طلاء مبادل الحرارة سنويًا. وهي الآن توسع الإنتاج لتصل إلى 10 ملايين طن سنويًا.

الخطوة التالية للشركة ستكون تقنية البطاريات القائمة على أيون الألمنيوم الجرافيني، حيث يُستخدم معجون الجرافين كإضافة لأقطاب بطاريات الليثيوم أيون. على المدى الطويل، قد يصبح بديلاً كاملًا لأقطاب الجرافيت.

تطوّر الشركة بطاريات أيون الألمنيوم الجرافيني باستخدام قطب جرافيني، يمكنه تحقيق كثافة طاقة تبلغ 290 واط·ساعة/كغ. تم تطوير ذلك بالتعاون مع عملاق التعدين ريو تينتو، وقد تُستَخدم في البداية في الصناعات الثقيلة (مثل التعدين)، بدلاً من أسواق السيارات الكهربائية.

المصدر: GMG

يتوقع جدول طريق تطوير البطاريات بناء مصانع تجريبية في عام 2025، واتخاذ قرار بشأن الاستثمار في مصنع تجاري النطاق في عام 2026، ومن ثم تشغيله وشحن أول دفعات للعملاء بحلول عام 2027.

قد يكون دخول هذا السوق للبطاريات مخاطرة كبيرة بالنسبة لـ GMG، لكنه يمنحها أيضًا فرصة فريدة في السوق المستقبلية التي قد تُفتح للجرافين، بما في ذلك تخزين الطاقة وتطبيقات الطاقة الأخرى.

الدراسة المشار إليها

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}