كيف يمكن للسبينترونيك والجرافين تمكين الدوائر الكمومية من الجيل التالي

كيف يمكن للسبينترونيك إحداث ثورة في الحوسبة

يتجه عالم عتاد الحوسبة تدريجيًا إلى ما بعد رقائق السيليكون، بل وإلى ما بعد الأشكال التقليدية للحوسبة الثنائية. ويعود ذلك إلى تزايد صعوبة تصنيع الرقائق والذاكرة المعتادة في الحواسيب ومراكز البيانات، إذ لا يتجاوز حجم ترانزستورات الجيل الأحدث بضعة نانومترات.

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.

وخلافًا للنسخ السابقة من هذه التقنية، لا يحتاج الجهاز إلى مغناطيسات قوية، مما يجعله أكثر توافقًا مع المكونات الإلكترونية الأخرى. ونشر الباحثون نتائجهم في Nature Communications¹ بعنوان «Quantum spin Hall effect in magnetic graphene».

إمكانات السبينترونيك

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

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، ولا سيما:

• 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.

تُستخدم السبينترونيك بالفعل في محركات الأقراص الصلبة، وقد ساعدت على زيادة سعات التخزين خلال العقد الماضي.

“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 جامعة دلفت للتكنولوجيا

السبينترونيك للحوسبة الكمومية

الفوائد الرئيسية للسبينترونيك للدوائر الكمومية

اللف المغزلي ليس تيارًا كهربائيًا، بل خاصية كمومية أساسية للإلكترون تُخزَّن فيها المعلومات الكمومية وفق اتجاه اللف.

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 كيوبت اللف المغزلي مثيرة للاهتمام. المشكلة، كما هو شائع في أنظمة الحوسبة الكمومية، هي الحفاظ على هذه المعلومات لفترات زمنية ومسافات كافية.

وقد يكون هذا تحديدًا ما توصل باحثو الدراسة إلى طريقة لحله باستخدام الجرافين.

الجرافين للسبينترونيك

الجرافين «مادة فائقة» تتكون من طبقة كربون ثنائية الأبعاد. ولا تقتصر إمكاناته على الحوسبة، بل تمتد أيضًا إلى التوصيل الفائق والاتصالات وعلوم المواد والتحفيز.

حتى الآن لم يُستخدم الجرافين فعليًا في السبينترونيك، على الرغم من خصائصه الكهربائية المميزة. السبب هو أن اكتشاف تيارات اللف المغزلي 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 (كبريتيد فوسفور الكروم)، وهو شبه موصل ثنائي الأبعاد مضاد للمغناطيسية ثنائي الأبعاد.

غيّرت هذه الطبقة المغناطيسية الخصائص الإلكترونية للجرافين بدرجة كبيرة، وأدت إلى ظهور تأثير هول الكمومي للّف المغزلي (QSH) في الجرافين.

“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 جامعة دلفت للتكنولوجيا

يتيح تأثير QSH للإلكترونات التحرك بسلاسة على حواف الجرافين من دون تشتت، مع اصطفاف جميع لفّاتها المغزلية في الاتجاه نفسه.

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

Talieh Ghiasi – باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة دلفت للتكنولوجيا

نظرة مستقبلية للسبينترونيك القائم على الجرافين

ولأن تيارات اللف المغزلي الكمومية «محمية طوبولوجيًا»، فإنها تستطيع الانتقال لعشرات الميكرومترات من دون فقدان معلومات اللف داخل الدائرة.

“هذه تيارات اللف المغزلي 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 جامعة دلفت للتكنولوجيا

يمهّد هذا الاكتشاف الطريق لدوائر سبينترونية فائقة الرقة قائمة على الجرافين. ويمكن لتيارات اللف المغزلي في الجرافين أن تتيح نقلًا فعالًا ومتماسكًا للمعلومات الكمومية، وهي مهمة اقتصرت حتى الآن على استخدام الضوء لربط مكونات الحوسبة الكمومية.

ورغم أن التقنية لا تزال قيد التطوير، يوضح الاكتشاف أن التصميم النهائي للحواسيب والشبكات الكمومية لم يُحسم بعد. ومن المرجح أن تؤدي مواد مثل الجرافين دورًا طويل الأمد، ضمن فئة أشباه الموصلات المصنوعة من الجرافين، إلى جانب السبينترونيك عمومًا.

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}