كيف يمكن لإلكترونيات السبين الكيرالية أن تُحدث تحولًا في الحوسبة

كيف يمكن لإلكترونيات السبين أن تُحدث ثورة في الحوسبة

يتجه عالم عتاد الحوسبة تدريجيًا إلى ما بعد رقائق السيليكون، بل وإلى ما بعد الأشكال التقليدية للحوسبة الثنائية برمتها.

يرجع ذلك إلى أن تصنيع الرقائق والذاكرة التقليدية في حواسيبنا ومراكز بياناتنا يزداد صعوبة، إذ لا يتجاوز حجم ترانزستورات الجيل الأحدث بضعة نانومترات.

ومن العوامل الأخرى أن استهلاك الطاقة أصبح مشكلة مع استمرار نمو الطلب على القدرة الحاسوبية، ولا سيما لأنظمة الذكاء الاصطناعي.

طُرحت حلول عديدة، أبرزها الحوسبة الكمومية والفوتونيات، إما لتقليل العبء الحاسوبي المطلوب أو لجعل الحوسبة أسرع وأقل استهلاكًا للطاقة.

ومن الحلول الأخرى إلكترونيات السبين، التي تستخدم دوران الإلكترون، وهو خاصية كمومية، بدلًا من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

مزايا إلكترونيات السبين وتطبيقاتها المحتملة

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

تتمثل طريقة بديلة لإجراء العمليات الحاسوبية في أجهزة إلكترونيات السبين، التي تعمل بدوران الإلكترونات، وهو خاصية كمومية أساسية، بدلًا من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المصدر: Insight IAS

يمكن ترميز البيانات في كل من الزخم الزاوي للسبين، الذي يمكن تصوره بوصفه اتجاهًا ذاتيًا «لأعلى» أو «لأسفل» في الإلكترون، والزخم الزاوي المداري، الذي يصف حركة الإلكترونات حول نوى الذرات.

ولأن ذلك يحمل معلومات أكثر من مجرد 0 و1، يمكن للسبين تخزين بيانات أكثر لكل ذرة مقارنة بالإلكترونيات التقليدية.

تتمتع إلكترونيات السبين بعدة مزايا أخرى مقارنة بالأنظمة الإلكترونية التقليدية، أبرزها:

• سرعة أكبر في معالجة البيانات، إذ يمكن تغيير اتجاه السبين بسرعة أعلى بكثير.
• استهلاك أقل للطاقة، لأن تغيير السبين يتطلب طاقة أقل من الحفاظ على تدفق الإلكترونات لتوليد تيار.
• إمكان استخدام معادن بسيطة بدلًا من مواد أشباه موصلات معقدة.
• السبين أقل تقلبًا من حالة شبه الموصل، ما يجعل تخزين البيانات أكثر استقرارًا.

اسحب للتمرير ←

استُخدمت إلكترونيات السبين تجاريًا في رؤوس قراءة الأقراص الصلبة منذ تسعينيات القرن الماضي، ما عزز كثافة التخزين بدرجة كبيرة خلال العقود الماضية.

«السبين خاصية ميكانيكية كمومية للإلكترونات، تشبه مغناطيسًا صغيرًا يحمله كل إلكترون ويتجه إلى أعلى أو أسفل.

يمكننا الاستفادة من سبين الإلكترونات لنقل المعلومات ومعالجتها فيما يُسمّى بأجهزة إلكترونيات السبين».

Talieh Ghiasi – باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة دلفت للتقنية

أُحرز مؤخرًا تقدم كبير في إلكترونيات السبين؛ فعلى سبيل المثال، يمكن تحويل فقدان السبين مرة أخرى إلى مغنطة، ما يجعل إلكترونيات السبين أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، كما أن إلكترونيات السبين والغرافين قد يمدان الدوائر الكمومية من الجيل التالي بالطاقة.

ولا يزال العلماء يكتشفون طرقًا جديدة لتحسين أجهزة إلكترونيات السبين. فقد أنشأ باحثون من جامعة سيول الوطنية وجامعة كوريا والمعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية، وكلية فاينبرغ للطب في الولايات المتحدة، حلزونات نانوية مغناطيسية تستطيع التحكم في دوران الإلكترون، ما قد يفتح مجالًا جديدًا بالكامل لأجهزة «إلكترونيات السبين الكيرالية».

نشر الباحثون نتائجهم في مجلة Science العلمية المرموقة¹، تحت عنوان «Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices».

إلكترونيات السبين الكيرالية

ما الكيرالية في إلكترونيات السبين؟

يُعد التناظر سمة أساسية لأشياء كثيرة في الطبيعة، بما فيها مكونات الحمض النووي والضوء نفسه. وقد يختلف جزيئان متطابقان تقريبًا لا في تركيبهما أو شكلهما، بل في اتجاههما؛ ويُعرف هذا المفهوم باسم «الكيرالية».

يمكن تبسيط الكيرالية بمقارنة اليد اليسرى باليد اليمنى؛ فهما متماثلتان في الشكل والبنية والوظيفة، لكن إحداهما صورة مرآة للأخرى ولا يمكن مطابقتهما تمامًا.

تؤدي الكيرالية دورًا أساسيًا في علم الأحياء؛ إذ انتقى التطور الطبيعي اتجاهًا واحدًا بعينه في جزيئات الحمض النووي والسكريات والأحماض الأمينية.

لكن الكيرالية نادرة في المواد غير العضوية، التي تميل إما إلى البنية غير المنتظمة أو إلى تكوين بلورات غير كيرالية.

كيف تكتسب المعادن الكيرالية لاستخدامها في إلكترونيات السبين

نجح العلماء في صنع حلزونات نانوية مغناطيسية كيرالية يسارية ويمينية عبر التحكم الكهروكيميائي في عملية تبلور المعدن. واختيرت سبيكة من الكوبالت والحديد لخصائصها المغناطيسية الحديدية.

وكان الابتكار الرئيسي في هذه العملية استخدام كميات ضئيلة من جزيئات عضوية كيرالية، مثل السينكونين أو السينكونيدين، لتوجيه تكوّن الحلزونات.

«من الصعب للغاية التحكم في الكيرالية أثناء تخليق المعادن والمواد غير العضوية، ولا سيما على المقياس النانوي.

إن قدرتنا على برمجة اتجاه الحلزونات غير العضوية بمجرد إضافة جزيئات كيرالية تمثل إنجازًا نوعيًا في كيمياء المواد».

البروفيسور Ki Tae Nam — أستاذ في جامعة سيول الوطنية

لإثبات كيرالية هذه الحلزونات النانوية، قاس الباحثون المجالات الكهرومغناطيسية التي تولدها الحلزونات تحت تأثير مجالات مغناطيسية دوّارة.

يوفر ذلك وسيلة سهلة للتحقق من تصنيع المادة بصورة صحيحة؛ إذ ولدت الحلزونات اليسارية واليمينية إشارات كهرومغناطيسية متعاكسة، ما أتاح قياس الكيرالية كمّيًا من دون اشتراط تفاعل المادة المغناطيسية بقوة مع الضوء، وهي الطريقة المعتادة للتحقق من الكيرالية.

والأهم أن الباحثين اكتشفوا أن هذه المعادن المغناطيسية الكيرالية تستطيع أيضًا توجيه السبين انتقائيًا؛ فهي تسمح بمرور أحد اتجاهي السبين بصورة تفضيلية، بينما تحجب الاتجاه المعاكس.

«الكيرالية مفهومة جيدًا في الجزيئات العضوية، حيث يحدد اتجاه البنية في كثير من الأحيان وظيفتها البيولوجية أو الكيميائية».

البروفيسور Ki Tae Nam — أستاذ في جامعة سيول الوطنية

التطبيقات المحتملة لإلكترونيات السبين الكيرالية

بفضل المغنطة المتأصلة في المادة، أي اصطفاف السبينات، أصبح نقل السبين لمسافات طويلة ممكنًا في درجة حرارة الغرفة.

ظل هذا التأثير ثابتًا بصرف النظر عن الزاوية بين المحور الكيرالي واتجاه حقن السبين. ولأنه لم يُلاحظ في حلزونات نانوية غير مغناطيسية بالحجم نفسه، فيبدو أنه مرتبط مباشرة بالحلزونات المغناطيسية الكيرالية.

يمثل ذلك أول اكتشاف لنقل سبين غير متماثل في مادة ذات مقياس كبير نسبيًا.

كما عرض الفريق جهازًا صلبًا أظهر إشارات توصيل تعتمد على الكيرالية، ما يمهد الطريق لتطبيقات عملية في إلكترونيات السبين.

«تحقق هذه الحلزونات النانوية استقطابًا للسبين يتجاوز نحو 80%، بفضل هندستها ومغناطيسيتها وحدهما.

وهو مزيج نادر من الكيرالية البنيوية والمغناطيسية الحديدية المتأصلة، يتيح ترشيح السبين في درجة حرارة الغرفة من دون دوائر مغناطيسية معقدة أو تبريد عميق، ويوفر طريقة جديدة لهندسة سلوك الإلكترونات عبر التصميم البنيوي».

البروفيسور Young Keun Kim — أستاذ في جامعة كوريا

ومن مزايا هذه التقنية الجديدة أيضًا أن عملية تصنيعها بسيطة ومنخفضة التكلفة نسبيًا، ولا تتطلب مواد نادرة أو تقنيات معقدة.

«نعتقد أن هذا النظام قد يصبح منصة لإلكترونيات السبين الكيرالية ولتصميم البنى النانوية المغناطيسية الكيرالية.

يمثل هذا العمل تقاربًا قويًا بين الهندسة والمغناطيسية ونقل السبين، مبنيًا بمواد غير عضوية قابلة للتوسع».

البروفيسور Young Keun Kim — أستاذ في جامعة كوريا

ولا يزال استكشاف الإمكانات الكاملة لهذه الفكرة والمواد الجديدة يتطلب عملًا كثيرًا. فمثلًا، يمكن تعديل عدد الخيوط، من حلزون مزدوج إلى حلزونات متعددة، حسب الحاجة، وقد يكشف ذلك عن خصائص مختلفة لم تُكتشف بعد.

من المتوقع أن تسهم القدرة على التحكم في اتجاه الالتفاف، يسارًا أو يمينًا، بل وحتى في عدد الخيوط، سواء كانت حلزونات مزدوجة أو متعددة، باستخدام هذه الطريقة الكهروكيميائية المرنة، إسهامًا كبيرًا في مجالات تطبيق جديدة.

البروفيسور Young Keun Kim — أستاذ في جامعة كوريا

وبفضل سهولة الإنتاج وإمكانية نقل السبين لمسافات طويلة، قد تفيد هذه التقنية كثيرًا في تصنيع حواسيب وشبكات تعتمد بالكامل على السبين، مع مزايا اقتصادية ناتجة من انخفاض استهلاك الطاقة واستقرار تخزين البيانات.

الاستثمار في مبتكري إلكترونيات السبين

1. Everspin Technologies

Everspin شركة منبثقة عن Freescale، المعروفة حاليًا باسم NXP ورمز سهمها NXPI، ومتخصصة في تطوير أنظمة ذاكرة MRAM، وهي أكثر أشكال إلكترونيات السبين القابلة للتطبيق التجاري شيوعًا اليوم. انفصلت الشركة وأُدرجت في البورصة عام 2016.

تُعد Everspin رائدة في تقنية MRAM، أي ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة للمغناطيسية، مستفيدة من خبرة Freescale التي كانت أول من طرح شريحة MRAM تجاريًا عام 2006.

ولأن ذاكرة MRAM تحتفظ بالبيانات حتى في غياب التيار الكهربائي، يتزايد استخدامها في التطبيقات الحساسة التي تكون فيها البيانات الحرجة أهم من أن تُعرّض لخطر الفقدان.

بدفع من التطبيقات واسعة الانتشار، مثل تحليلات البيانات والحوسبة السحابية الأرضية والفضائية والذكاء الاصطناعي وذكاء الحافة، بما في ذلك إنترنت الأشياء الصناعي، يُتوقع أن ينمو سوق الذاكرة الدائمة بمعدل نمو سنوي مركب قدره 27.5% بين عامي 2020 و2030.

Everspin

المصدر: Everspin

تقدر الشركة أن يصل حجم السوق إلى 7.4 مليار دولار بحلول عام 2027. كما ظلت بلا ديون وحققت تدفقًا نقديًا حرًا إيجابيًا منذ عام 2021.

تشغل منتجات Everspin من ذاكرة MRAM حاليًا قطاعًا صغيرًا لكنه متنامٍ، وتخدم أسواقًا تكون فيها الموثوقية حاسمة، مثل الطيران والفضاء والأقمار الصناعية ومسجلات البيانات وأجهزة مراقبة المرضى.

المصدر: Everspin

وقد يشكل نمو الشرائح والذكاء الاصطناعي والأنظمة المشبكية عامل دعم طويل الأجل للشركة أيضًا.

2. NVE Corporation

وتُعد NVE رائدة أخرى في إلكترونيات السبين؛ إذ تعمل على هذه التقنية منذ حصولها على أول براءة اختراع لها في تقنية MRAM عام 1995. وتنتج مستشعرات وعوازل سبينية، تُستخدم أساسًا في أنظمة القياس والاستشعار للسيارات والتروس والأجهزة الطبية ومصادر الطاقة وغيرها من المعدات الصناعية.

المصدر: NVE

يضع ذلك NVE في فئة مختلفة نسبيًا عن Everspin؛ فالأولى شركة صناعية تتمتع بمكانة قوية في سوق متخصصة، هي مقاييس المغناطيسية المعتمدة على إلكترونيات السبين، بينما تركز Everspin على الذاكرة والحوسبة وتتعاون وتتنافس مع شركات مثل Intel (INTC ) وQualcomm (QCOM ) وToshiba وSamsung، التي تطور هي الأخرى منتجات MRAM خاصة بها.

قد يجعل ذلك السهم أكثر أو أقل جاذبية وفقًا لملف المستثمر؛ ومن المرجح أن يناسب سهم NVE المستثمرين الأكثر تحفظًا ممن يبحثون عن عائد توزيعات وأمان أكبر.

الدراسات المشار إليها

^{1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Issue 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}