كيف يمكن للإلكترونيات الدورانية الكيرالية أن تُحدث نقلة نوعية في مجال الحوسبة

كيف يمكن للإلكترونيات الدورانية أن تُحدث ثورة في عالم الحوسبة

تدريجيا، بدأ عالم الحوسبة المادية يتطلع إلى ما هو أبعد من شرائح السيليكون، أو حتى الأشكال الكلاسيكية للحوسبة الثنائية تماما.

ويرجع ذلك إلى أن الرقائق والذاكرة المعتادة في أجهزة الكمبيوتر ومراكز البيانات لدينا أصبحت أكثر صعوبة في التصنيع بشكل متزايد، حيث يحتوي الجيل الأحدث على ترانزستورات يبلغ حجمها بضعة نانومترات فقط.

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 تعتبر الحوسبة الكمومية والفوتونيات من الخيارات الأكثر بروزًا إما لتقليل الطلب على الحوسبة أو جعلها أسرع وأقل استهلاكًا للطاقة.

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

مزايا وتطبيقات الدوران الإلكتروني المحتملة

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

الطريقة البديلة لإجراء العمليات الحسابية هي من خلال الأجهزة الدورانية الإلكترونية، والتي تعمل على دوران الإلكترونات (سمة كمية أساسية) بدلاً من التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات).

المصدر إنسايت IAS

يمكن ترميز البيانات في كل من الزخم الزاوي المغزلي، والذي يمكن تصوره على أنه اتجاه مدمج "لأعلى" أو "لأسفل" للإلكترون، والزخم الزاوي المداري، والذي يصف كيف تتحرك الإلكترونات حول النوى الذرية.

نظرًا لأن هذا يحتوي على معلومات أكثر من مجرد 0 و1، فإن الدوران يمكن أن يحتوي على المزيد من البيانات لكل ذرة مقارنة بالإلكترونيات التقليدية.

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

• بيانات أسرع، حيث يمكن تغيير الدوران بسرعة أكبر 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.
• يعتبر الدوران أقل تقلبًا من حالة أشباه الموصلات، مما يجعل تخزين البيانات أكثر استقرارًا.

مرر للتمرير →

تم تسويق تقنية Spintronics تجارياً في رؤوس القراءة الخاصة بمحركات الأقراص الصلبة منذ تسعينيات القرن العشرين، مما أدى إلى زيادة كثافة التخزين بشكل كبير على مدى العقود الماضية.

"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."

تاليا غياسي - باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة دلفت للتكنولوجيا

لقد تم تحقيق تقدم كبير في الآونة الأخيرة في مجال الإلكترونيات الدورانية، على سبيل المثال، يمكن تحويل فقدان الدوران مرة أخرى إلى مغناطيسية، مما يجعل إلكترونيات الدوران أكثر كفاءة في استخدام الطاقةأو ذاك الإلكترونيات الدورانية والجرافين استطاع دوائر الطاقة الكمومية من الجيل التالي.

ولا يزال العلماء يكتشفون أساليب جديدة لتحسين أجهزة الإلكترونيات الدورانية، ومنهم باحثون في جامعة سيول الوطنية (كوريا الجنوبية)، وجامعة كوريا، ومعهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا، وكلية فاينبرغ للطب (الولايات المتحدة الأمريكية). وقد ابتكروا لوالب نانوية مغناطيسية قادرة على التحكم في دوران الإلكترونات، مما قد يُنشئ مجالًا جديدًا كليًا لما يُسمى بأجهزة "الإلكترونيات الدورانية الكيرالية".

ونشروا نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة ساينس¹، تحت عنوان "النقل الانتقائي للدوران من خلال حلزونات نانوية مغناطيسية حديدية غير متناظرة".

الإلكترونيات الدورانية الكيرالية

ما هي الكيرالية في الإلكترونيات الدورانية؟

في الطبيعة، يُعدّ التناظر سمةً أساسيةً للعديد من الأشياء، بما في ذلك مكونات الحمض النووي (DNA) والضوء نفسه. من الممكن أن يختلف جزيئان متطابقان تقريبًا، ليس في تركيبهما أو شكلهما، بل في اتجاههما، وهو مفهوم يُسمى "التماثل الكيرالي".

يمكن تفسير الكيرالية في أبسط صورها على أنها الطريقة التي تختلف بها يدنا اليسرى عن يدنا اليمنى، على الرغم من أن كلتا اليدين متطابقتان في الشكل والبنية والوظيفة.

تلعب الكيرالية دورًا أساسيًا في علم الأحياء، حيث اختارت الانتقاء الطبيعي جزيئات الحمض النووي "اليمنى" حصريًا، والسكر، والأحماض الأمينية (المكون الأساسي للبروتينات).

ومع ذلك، فهو نادر في المواد غير العضوية، والتي تميل إلى أن تكون غير منظمة أو بلورية بدون كيرالية.

كيف تكتسب المعادن الكيرالية في مجال الإلكترونيات الدورانية

نجح العلماء في إنتاج حلزونات نانوية مغناطيسية كيرالية يمينية ويسارية، وذلك بالتحكم الكهروكيميائي في عملية تبلور المعدن. وقد اختيرت سبيكة من الكوبالت والحديد لخصائصها المغناطيسية الحديدية.

أحد الابتكارات الرئيسية في هذه العملية هو استخدام كميات ضئيلة من الجزيئات العضوية الكيرالية، مثل السينكونين أو السينكونيدين، والتي وجهت تكوين الحلزونات.

"في المعادن والمواد غير العضوية، يعد التحكم في الكيرالية أثناء التركيب أمرًا صعبًا للغاية، وخاصة على المستوى النانوي.

إن حقيقة أننا نستطيع برمجة اتجاه الحلزونات غير العضوية ببساطة عن طريق إضافة جزيئات كيرالية هي إنجاز كبير في كيمياء المواد.

Pr. كي تاي نام - أستاذ في جامعة سيول الوطنية

ولإثبات كيرالية هذه الحلزونات النانوية، قاموا بقياس المجالات الكهرومغناطيسية (EMF) التي تولدها الحلزونات تحت تأثير المجالات المغناطيسية الدوارة.

وهذا يخلق طريقة سهلة لاختبار ما إذا كانت المادة قد تم إنتاجها بشكل صحيح، حيث أنتجت الحلزونات اليمنى واليسرى إشارات EMF متعاكسة، مما يسمح بالتحقق الكمي من الكيرالية، دون الحاجة إلى تفاعل المادة المغناطيسية بقوة مع الضوء، وهي الطريقة المعتادة للتحقق من الكيرالية.

والأمر الأكثر أهمية هو أنهم اكتشفوا أن هذه المعادن المغناطيسية الكيرالية يمكنها أيضًا توجيه الدوران وفقًا لذلك: فهي تسمح بشكل تفضيلي بمرور اتجاه واحد من الدوران، في حين لا يستطيع الاتجاه المعاكس ذلك.

"إن الكيرالية مفهومة جيدًا في الجزيئات العضوية، حيث غالبًا ما تحدد يد البنية وظيفتها البيولوجية أو الكيميائية."

Pr. كي تاي نام - أستاذ في جامعة سيول الوطنية

التطبيقات المحتملة للإلكترونيات الدورانية الكيرالية

بفضل المغناطيسية الكامنة في المادة (محاذاة الدوران)، أصبح نقل الدوران لمسافات طويلة في درجة حرارة الغرفة ممكنًا.

ثبت ثبات هذا التأثير، بغض النظر عن الزاوية بين المحور الكيرالي واتجاه حقن الدوران. ونظرًا لعدم ملاحظته في الحلزونات النانوية غير المغناطيسية من نفس الحجم، يبدو أنه مرتبط ارتباطًا مباشرًا باللولب المغناطيسي الكيرالي.

سيؤدي هذا إلى اكتشاف أول نقل دوران غير متماثل على الإطلاق في مادة ذات مقياس كبير نسبيًا.

كما أظهر الفريق جهازًا ذو حالة صلبة أظهر إشارات توصيل تعتمد على الكيرالية، مما يمهد الطريق لتطبيقات الدوران الإلكتروني العملية.

"تتمتع هذه الحلزونات النانوية باستقطاب دوران يتجاوز حوالي 80% - فقط من خلال هندستها ومغناطيسيتها."

"وهذا مزيج نادر من الكيرالية البنيوية والمغناطيسية الحديدية الجوهرية، مما يسمح بالترشيح الدوراني في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى دوائر مغناطيسية معقدة أو تبريد عميق، ويوفر طريقة جديدة لتصميم سلوك الإلكترون باستخدام التصميم البنيوي."

Pr. يونغ كيون كيم - أستاذ في جامعة كوريا

ومن بين مزايا هذه التكنولوجيا الجديدة أيضًا أن عملية التصنيع بسيطة ورخيصة نسبيًا، ولا تستخدم أي مواد نادرة أو تقنيات معقدة.

"نعتقد أن هذا النظام يمكن أن يصبح منصة لتكنولوجيا الدوران الإلكتروني الكيرالي وهندسة النانو البنى المغناطيسية الكيرالية.

يمثل هذا العمل تقاربًا قويًا بين الهندسة والمغناطيسية ونقل الدوران، وهو مبني من مواد غير عضوية قابلة للتطوير.

Pr. يونغ كيون كيم - أستاذ في جامعة كوريا

لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لاستكشاف إمكانات هذه الفكرة والمواد الجديدة بشكل كامل. على سبيل المثال، يمكن تعديل عدد الخيوط (اللولبية المزدوجة والمتعددة) حسب الرغبة، وقد يُسفر ذلك عن خصائص مختلفة لم تُكتشف بعد.

ومن المتوقع أن تساهم القدرة على التحكم في اليد اليسرى/اليمنى وحتى عدد الخيوط (اللولب المزدوج والمتعدد) باستخدام هذه الطريقة الكهروكيميائية متعددة الاستخدامات بشكل كبير في مجالات التطبيق الجديدة.

Pr. يونغ كيون كيم - أستاذ في جامعة كوريا

بين سهولة الإنتاج وإمكانية نقل الدوران لمسافات طويلة، يمكن أن يكون هذا مفيدًا جدًا لإنتاج أجهزة كمبيوتر وشبكات تعتمد بالكامل على الدوران، مع مزايا اقتصادية من استهلاك أقل للطاقة وتخزين البيانات بشكل مستقر.

الاستثمار في مبتكري Spintronic

1. تقنيات Everspin

Everspin هي فرع من شركة Freescale (المعروفة الآن باسم NXP، ورمزها في البورصة NXPI)، وهي متخصصة في تطوير أنظمة ذاكرة MRAM، وهي الشكل الأكثر شيوعًا للإلكترونيات الدورانية المتاحة تجاريًا اليوم. تم فصلها وطُرحت أسهمها للاكتتاب العام عام ٢٠١٦.

تعتبر شركة Everspin رائدة في تكنولوجيا MRAM (ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة)، حيث ورثت خبرة شركة Freescale في هذا المجال. أول من قام بتسويق شريحة MRAM في عام 2006.

نظرًا لأن MRAM هي ذاكرة تستمر حتى في حالة عدم وجود تيار، يتم استخدامها بشكل متزايد في حالات الاستخدام الحساسة حيث تكون البيانات الحرجة مهمة للغاية بحيث لا يمكن المخاطرة بفقدانها.

بفضل التطبيقات الشاملة مثل تحليلات البيانات والحوسبة السحابية، سواء الأرضية أو خارج الأرض، والذكاء الاصطناعي، والذكاء الاصطناعي الحافة، بما في ذلك إنترنت الأشياء الصناعي، من المتوقع أن ينمو سوق الذاكرة الدائمة بمعدل نمو سنوي مركب قدره 27.5٪ بين عامي 2020 و 2030

إيفرسبين

المصدر إيفرسبين

وتقدر الشركة أن يصل حجم السوق إلى 7.4 مليار دولار بحلول عام 2027. ولم تسجل الشركة أي ديون وتدفقات نقدية حرة إيجابية منذ عام 2021.

تشغل منتجات Everspin MRAM حاليًا مكانة صغيرة ولكنها متنامية، حيث تخدم الأسواق حيث تكون الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية، مثل الفضاء والأقمار الصناعية ومسجلات البيانات وأجهزة مراقبة المرضى وما إلى ذلك.

المصدر إيفرسبين

قد يكون نمو الشرائح والذكاء الاصطناعي والأنظمة المتشابكة بمثابة دفعة طويلة المدى للشركة.

2. شركة NVE

زعيم آخر للإلكترونيات السبينية، تعمل شركة NVE على هذه التقنية منذ حصولها على أول براءة اختراع في تقنية MRAM في عام 1995. إنه ينتج الدوران الإلكتروني أجهزة الاستشعار و العوازل، وتستخدم في الغالب في أنظمة القياس والاستشعار للسيارات، والتروس، والأجهزة الطبية، وإمدادات الطاقة، وغيرها من الأجهزة الصناعية.

المصدر NVE

هذا يضع NVE في فئة مختلفة إلى حد ما عن Everspin، حيث تعتبر NVE شركة صناعية ذات مكانة قوية في سوق متخصصة (مقياس مغناطيسي يستخدم spintronics)، في حين تعتبر Everspin شركة ذاكرة/حوسبة تعمل في منافسة مع أمثال Intel وQualcomm وToshiba وSamsung، الذين يقومون أيضًا بتطوير منتج MRAM الخاص بهم.

يمكن أن يجعل السهم أكثر (أو أقل) جاذبية اعتمادًا على ملفات تعريف المستثمرين، حيث من المرجح أن يجذب سهم NVE المستثمرين الأكثر تحفظًا الذين يسعون إلى الحصول على عائد أرباح وأمان.

الدراسات المرجعية

^{1. يو سانغ جون، وآخرون. النقل الانتقائي للدوران من خلال حلزونات نانوية مغناطيسية حديدية غير متناظرة. علوم. 4 سبتمبر 2025. المجلد 389، العدد 6764. ص. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}