كيف يمكن للسبينترونيات المتشابكة أن تحول الحوسبة

كيف يمكن للسبينترونيات أن تحدث ثورة في الحوسبة

بشكل تدريجي، يبدأ عالم الحوسبة المادية في النظر إلى ما وراء رقائق السيليكون، أو حتى أشكال الحوسبة الثنائية التقليدية تمامًا.

ذلك لأن الرقائق والذاكرة المعتادة في حواسيبنا ومراكز البيانات أصبحت أصعب وأصعب في التصنيع، حيث أن الجيل الأخير يحتوي على ترانزستورات بحجم بضعة نانومترات فقط.

عامل آخر هو أن استهلاك الطاقة أصبح مشكلة مع استمرار الطلب المتزايد على قوة الحوسبة، لا سيما لأنظمة الذكاء الاصطناعي.

هناك العديد من الحلول المقترحة، مع كون الحوسبة الكمومية والفوتونيات أكثر الخيارات بروزًا لتقليل الطلب على الحوسبة أو لجعلها أسرع وأقل استهلاكًا للطاقة.

هناك أيضًا السبينترونيات، التي تستغل دوران الإلكترونات، وهو خاصية كمية، بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المزايا والتطبيقات المحتملة للسبينترونيات

المكونات الإلكترونية، مثل الترانزستورات، تُصنع تقليديًا من السيليكون وتعتمد على أشباه الموصلات. إشارة 0 و1 في الثنائية تشير إلى مرور أو حجب التيار الكهربائي.

طريقة بديلة لأداء الحوسبة هي عبر الأجهزة السبينترونية، التي تعمل على دوران الإلكترونات (خاصية كمية أساسية) بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المصدر: Insight IAS

يمكن ترميز البيانات في كل من الزخم الزاوي للدوران، الذي يمكن تخيله كاتجاه “أعلى” أو “أسفل” مدمج للإلكترون، والزخم الزاوي المداري، الذي يصف كيف تتحرك الإلكترونات حول نوى الذرات.

وبما أن هذا يحتوي على معلومات أكثر من مجرد 0 و1، يمكن للدوران أن يحمل بيانات أكثر لكل ذرة مقارنة بالإلكترونيات التقليدية.

السبينترونيات لديها بعض المزايا الأخرى مقارنة بالأنظمة الإلكترونية الكلاسيكية، وهي:

• بيانات أسرع، حيث يمكن تغيير الدوران بسرعة أكبر بكثير.
• استهلاك طاقة أقل، لأن تغيير الدوران يتطلب طاقة أقل من الحفاظ على تدفق الإلكترونات لتوليد التيار.
• يمكن استخدام معادن بسيطة بدلاً من مواد أشباه الموصلات المعقدة.
• الدوران أقل تقلبًا من حالة أشباه الموصلات، مما يجعل تخزين البيانات أكثر استقرارًا.

اسحب للتمرير →

تم تجاريّتها في رؤوس قراءة الأقراص الصلبة منذ التسعينيات، مما أدى إلى تعزيز كثافة التخزين على مدى العقود الماضية.

“الدوران هو خاصية ميكانيكية كمية للإلكترونات، تشبه المغناطيس الصغير الذي تحمله الإلكترونات، ويتجه لأعلى أو لأسفل.

يمكننا استغلال دوران الإلكترونات لنقل ومعالجة المعلومات في ما يُسمى بأجهزة السبينترونيات.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

تم إحراز تقدم كبير مؤخرًا في السبينترونيات، على سبيل المثال أن فقدان الدوران يمكن تحويله مرة أخرى إلى تمغنط، مما يجعل الإلكترونيات السبينترونية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، أو أن السبينترونيات والجرَفِين يمكن أن تُشغِل الدوائر الكمومية الجيل القادم.

وما زال العلماء يكتشفون طرقًا جديدة لتحسين أجهزة السبينترونيات، مثل الباحثين في جامعة سيول الوطنية (كوريا الجنوبية)، جامعة كوريا، معهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا، ومدرسة فاينبرغ للطب (الولايات المتحدة). لقد أنشأوا نانوحلزونات مغناطيسية يمكنها التحكم في دوران الإلكترون، مما قد يخلق مجالًا جديدًا تمامًا من الأجهزة ما يُسمى “السبينترونيات المتشابكة”.

نشروا نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة Science¹ تحت عنوان “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.

السبينترونيات المتشابكة

ما هي التشابك في السبينترونيات؟

في الطبيعة، التماثل هو سمة أساسية للعديد من الأشياء، بما في ذلك مكونات الحمض النووي والضوء نفسه. من الممكن أن جزيئين شبه متطابقين يختلفان ليس في تركيبهما أو شكلهما، بل في اتجاههما، وهو مفهوم يُسمى “التشابك”.

يمكن شرح التشابك بأبسط صوره كطريقة اختلاف يدنا اليسرى عن يدنا اليمنى، رغم أن اليدين متطابقتين في الشكل والبنية والوظيفة.

يلعب التشابك دورًا أساسيًا في علم الأحياء، حيث اختارت الانتقاء الطبيعي جزيئات الحمض النووي والسكر والأحماض الأمينية “اليمنى” فقط.

ومع ذلك، فهو نادر في المواد غير العضوية، التي تميل إما إلى الفوضى أو إلى بلورات بدون تشابك.

كيف تكتسب المعادن التشابك للسبينترونيات

تمكن العلماء من إنشاء حلزونات مغناطيسية تشابكية يدوية ويمينية عن طريق التحكم الكهروكيميائي في عملية تبلور المعدن. تم اختيار سبيكة من الكوبالت-الحديد لخصائصها الفيرومغناطيسية.

الابتكار الرئيسي في هذه العملية هو استخدام كميات ضئيلة من جزيئات عضوية تشابكية، مثل السينتشونين أو السينتشونيدين، التي توجه تكوين الحلزونات.

“في المعادن والمواد غير العضوية، التحكم في التشابك أثناء التصنيع صعب للغاية، خاصة على المستوى النانوي.

إن حقيقة أننا استطعنا برمجة اتجاه الحلزونات غير العضوية ببساطة عبر إضافة جزيئات تشابكية تُعدّ اختراقًا في كيمياء المواد.”

Pr. Ki Tae Nam – Professor at Seoul National University

لإظهار تشابك هذه الحلزونات، قاموا بقياس المجالات الكهرومغناطيسية (EMF) التي تولدها الحلزونات تحت حقول مغناطيسية دوارة.

هذا يوفر طريقة سهلة لاختبار ما إذا كان المادة قد صُنعت بشكل صحيح، حيث أن الحلزونات اليسرى واليمنى تنتج إشارات EMF معاكسة، مما يسمح بالتحقق الكمي من التشابك دون الحاجة لتفاعل المادة المغناطيسية مع الضوء، الطريقة المعتادة للتحقق من التشابك.

الأهم من ذلك، اكتشفوا أن هذه المعادن المغناطيسية المتشابكة يمكنها أيضًا توجيه الدوران وفقًا لذلك: فهي تسمح بمرور اتجاه واحد من الدوران، بينما لا يمكن للاتجاه المعاكس المرور.

“التشابك مفهوم جيد في الجزيئات العضوية، حيث غالبًا ما يحدد اتجاه البنية وظيفتها البيولوجية أو الكيميائية،”

Pr. Ki Tae Nam – Professor at Seoul National University

التطبيقات المحتملة للسبينترونيات المتشابكة

من خلال التمغنط الفطري للمادة (محاذاة الدوران)، أصبح نقل الدوران على مسافات طويلة في درجة حرارة الغرفة ممكنًا.

ثبت أن هذا التأثير ثابت، بغض النظر عن الزاوية بين المحور المتشابك واتجاه حقن الدوران. وبما أنه لم يُلاحظ في الحلزونات غير المغناطيسية من نفس الحجم، يبدو أنه مرتبط مباشرةً بالحلزونات المغناطيسية المتشابكة.

هذا سيشكل أول اكتشاف لنقل دوران غير متماثل في مادة ذات مقياس ماكرو نسبي.

كما عرض الفريق جهازًا صلبًا أظهر إشارات توصيل تعتمد على التشابك، مما يمهد الطريق لتطبيقات سبينترونية عملية.

“هذه الحلزونات تحقق استقطاب دوران يتجاوز ~80% — فقط بفضل هندستها ومغنطتها،”

إنه مزيج نادر من التشابك الهيكلي والفيرومغناطيسية الذاتية، يتيح تصفية الدوران في درجة حرارة الغرفة دون دوائر مغناطيسية معقدة أو تبريد، ويوفر طريقة جديدة لتصميم سلوك الإلكترونات باستخدام التصميم الهيكلي.”

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

ميزة أخرى لهذه التقنية الجديدة هي أن عملية التصنيع بسيطة نسبيًا ورخيصة، ولا تستخدم مواد نادرة أو تقنيات معقدة.

“نعتقد أن هذا النظام يمكن أن يصبح منصة للسبينترونيات المتشابكة وهندسة الهياكل النانوية المغناطيسية المتشابكة.

هذا العمل يمثل تقاطعًا قويًا بين الهندسة، المغنطيسية، ونقل الدوران، مبنيًا على مواد غير عضوية قابلة للتوسع.”

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

ما زال هناك الكثير من العمل المطلوب لاستكشاف إمكانات هذه الفكرة والمواد الجديدة بالكامل. على سبيل المثال، يمكن تعديل عدد الخيوط (مزدوجة، متعددة الحلزونات) حسب الرغبة، وربما ينتج عن ذلك خصائص مختلفة لم تُكتشف بعد.

القدرة على التحكم في الاتجاه (يسار/يمين) وحتى عدد الخيوط (مزدوجة، متعددة الحلزونات) باستخدام هذه الطريقة الكهروكيميائية المتعددة الاستخدامات من المتوقع أن تسهم بشكل كبير في مجالات تطبيقية جديدة.

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

مع سهولة الإنتاج وإمكانية نقل الدوران على مسافات طويلة، قد يكون ذلك مفيدًا جدًا لإنتاج حواسيب وشبكات تعتمد بالكامل على الدوران، مع مزايا اقتصادية من انخفاض استهلاك الطاقة وتخزين بيانات مستقر.

الاستثمار في مبتكري السبينترونيات

1. Everspin Technologies

تُعد Everspin فرعًا من Freescale (المعروفة الآن باسم NXP، رمز السهم NXPI) مكرسًا لتطوير أنظمة ذاكرة MRAM، الشكل الأكثر شيوعًا للسبينترونيات القابلة للتسويق اليوم. تم فصلها وأصبحت شركة عامة في عام 2016.

تُعتبر Everspin رائدة في تقنية MRAM (الذاكرة العشوائية المقاومة للمغناطيسية)، مستفيدةً من خبرة Freescale في كونها الأولى التي تج commercialize شريحة MRAM في عام 2006.

نظرًا لأن MRAM هي ذاكرة تستمر حتى في غياب التيار، فإنها تُستخدم بشكل متزايد في حالات الاستخدام الحساسة حيث تكون البيانات الحيوية لا يمكن المخاطرة بفقدانها.

مدفوعةً بتطبيقات شاملة مثل تحليلات البيانات، الحوسبة السحابية، سواءً على الأرض أو في الفضاء، الذكاء الاصطناعي (AI)، وEdge AI، بما في ذلك إنترنت الأشياء الصناعي، من المتوقع أن ينمو سوق الذاكرة المستمرة بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 27.5% بين عامي 2020 و2030

Everspin

المصدر: Everspin

تقدّر الشركة أن السوق سيصل إلى حجم 7.4 مليار دولار بحلول عام 2027. لم تتحمل الشركة أي ديون وتتمتع بتدفق نقدي حر إيجابي منذ عام 2021.

حاليًا، تحتل منتجات MRAM من Everspin شريحة صغيرة لكنها متنامية، تخدم أسواقًا حيث الاعتمادية أمر حاسم، مثل الفضاء، الأقمار الصناعية، مسجلات البيانات، أجهزة مراقبة المرضى، وغيرها.

المصدر: Everspin

قد يكون نمو مجموعات الشرائح، والذكاء الاصطناعي، وأنظمة المشابك أيضًا دفعة طويلة الأجل للشركة.

2. NVE Corporation

قائد آخر في السبينترونيات، NVE تعمل على هذه التقنية منذ أول براءة اختراع لها في تقنية MRAM عام 1995. تنتج NVE حساسات sensors وعوازل isolators، تُستخدم غالبًا في أنظمة القياس والحساسات للسيارات، التروس، الأجهزة الطبية، مزودات الطاقة، وغيرها من الأجهزة الصناعية.

المصدر: NVE

هذا يضع NVE في فئة مختلفة إلى حد ما عن Everspin، حيث تُعد NVE شركة صناعية ذات موقع قوي في سوق متخصص (مقاييس مغناطيسية باستخدام السبينترونيات)، بينما تُعد Everspin شركة ذاكرة/حوسبة تتنافس مع إنتل، كوالكوم، توشيبا، وسامسونغ، الذين يطورون أيضًا منتجات MRAM الخاصة بهم.

يمكن أن يجعل ذلك السهم أكثر (أو أقل) جاذبية حسب ملفات المستثمرين، حيث من المرجح أن يجذب سهم NVE المستثمرين الأكثر تحفظًا الباحثين عن عائد توزيعات وأمان.

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}