الرنانات النانوميكانيكية – كيف يمكن للحوسبة الكمومية الاستفادة من هذه الأجهزة الكهروضغطية

تصغير المستشعرات

مع تطور التقنيات الدقيقة، تتزايد الحاجة إلى مكونات أصغر. يظهر ذلك في أشباه الموصلات، ومنها  تقنية العقدة المسماة «2 نانومتر» التي كانت قيد التطوير والاختبار في 2024  لدى شركات مثل TSMC.

المصدر: TSMC

ينطبق التصغير أيضًا على المكونات الميكانيكية، التي تعتمد على الحركة والاهتزاز. ومن أمثلتها الرنانات النانوميكانيكية؛ إذ تجعلها كتلتها الصغيرة وحساسيتها أدوات واعدة لقياس قوى وجسيمات بالغة الصغر.

استُخدمت مواد محددة لصنع الرنانات عالية الجودة. وقد طوّر باحثون من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد وجامعة ماغديبورغ في ألمانيا رنانات بلورية من نيتريد الألومنيوم.

يجمع التصميم الجديد بين خصائص رنين ميكانيكي عالية الجودة والكهرضغطية. ونُشرت النتائج في مجلة Advanced Materials في دراسة بعنوان «رنانات نانوميكانيكية بلورية من نيتريد الألومنيوم بعوامل جودة مرتفعة للتقنيات الكمومية البصرية والكهروميكانيكية¹».

الرنانات النانوميكانيكية

الرنان مكوّن يستطيع الاهتزاز عند ترددات محددة. فالشوكة الرنانة، مثلًا، تهتز عند تردد الرنين وتُصدر موجة صوتية مسموعة.

يمكن تصنيع الرنانات بأبعاد ميكرومترية ونانوية. وتعتمد تردداتها وحساسيتها على الشكل والمادة والشد؛ ويمكن الاستفادة منها في قياسات دقيقة للغاية.

من التطبيقات البحثية للرنانات عالية الحساسية قياس قوى مرتبطة بلفّ بروتون منفرد، أو الجاذبية بين كتل صغيرة.

تحسين وظائف الرنانات

تعتمد كثير من الرنانات النانوميكانيكية ذات عوامل الجودة المرتفعة على نيتريد السيليكون الواقع تحت شد. وتتميز هذه المادة بخصائص ميكانيكية جيدة، لكنها عازلة كهربائيًا وغير كهرضغطية.

يمكن ربط رنانات نيتريد السيليكون بصريًا بأنظمة أخرى. أما الواجهة الكهروميكانيكية المباشرة فقد تتطلب إضافة مواد أو تراكيب أخرى.

قد تزيد هذه الإضافات فقد الطاقة الميكانيكية وتخفض عامل الجودة، بحسب التصميم.

طوّر الفريق بدلًا من ذلك رنانات من نيتريد الألومنيوم المشدود. وهذه مادة كهرضغطية حققت أيضًا أداءً ميكانيكيًا مرتفعًا، يُقاس بما يسمى عامل الجودة الميكانيكي (Qm)، الذي يعبّر عن انخفاض فقد الطاقة في الاهتزاز.

«حقق رنان نيتريد الألومنيوم عامل جودة يزيد على عشرة ملايين. ويشير ذلك إلى أن نيتريد الألومنيوم المشدود قد يكون منصة مادية واعدة للمستشعرات الكمومية أو محوّلات الإشارات الكمومية».

فيتلف فيتشوريك (Witlef Wieczorek)، أستاذ الفيزياء في قسم التكنولوجيا الدقيقة وعلوم النانو بجامعة تشالمرز.

تحوّل المواد الكهرضغطية التشوه الميكانيكي إلى استجابة كهربائية، ويمكنها أيضًا أن تتشوه عند تطبيق مجال كهربائي.

ترتبط الكهرضغطية بالبنية البلورية غير المتناظرة مركزيًا: يغيّر الإجهاد النسبي لمواضع الشحنات والاستقطاب الكهربائي. ولا يتطلب تفسيرها افتراض أن جميع الشحنات كانت في ترتيب متناظر قبل التشوه.

تتيح هذه الخاصية في نيتريد الألومنيوم إمكان ربط الحركة الميكانيكية بدرجات الحرية الكهربائية مباشرة. وقد تساعد في قراءة إشارات المستشعرات أو التحكم فيها.

كيفية تصنيع الرنان

صُنعت الرنانات من غشاء بلوري مشدود من نيتريد الألومنيوم بسماكة نحو 290 نانومتر، نُمي على ركيزة سيليكون. بلغ الشد الابتدائي نحو 1,4 غيغاباسكال، بينما كان الشد في بعض التراكيب بعد تحريرها قريبًا من 1 غيغاباسكال.

المصدر: مجلة Advanced Materials

استخدم الفريق تصميمًا سمّاه triangline، يتكون من وسادة مركزية مثلثة ودعامات ذات تفرع هرمي يتوافق مع اتجاهات البلورة.

المصدر: مجلة Advanced Materials

حقق التصميم حاصل ضرب عامل الجودة في التردد قريبًا من ‎10¹³ هرتز في درجة حرارة الغرفة. يشير ذلك إلى إمكان دعم اهتزازات متماسكة مفيدة للتقنيات الكمومية؛ ولم تعرض التجربة إعداد حالة كمومية مفردة والتحكم فيها في درجة حرارة الغرفة.

الخطوات التالية

يمكن تحسين هذا النموذج الأولي لزيادة عامل الجودة والحساسية، ثم تطوير واجهات كهربائية تستفيد من الكهرضغطية واختبار ملاءمتها للاستشعار والتحويل الكمومي.

التطبيقات المحتملة

قد تدعم الرنانات واجهات الاستشعار والتحويل في أنظمة كمومية. وتعتمد هذه الأنظمة على البتات الكمومية  (الكيوبتات)، التي تُحضّر حالاتها وتُعالج ثم تُقاس. ومن الخصائص المهمة في هذه الأنظمة التراكب و التشابك.

• التراكب يتيح تمثيل حالة تجمع سعات احتمالية للحالتين 0 و1. لكن القياس لا يكشف كل القيم أو الحلول الممكنة دفعة واحدة.
• التشابك يربط نتائج قياس الأنظمة الكمومية بعلاقات لا تفسرها النماذج الكلاسيكية البسيطة. ولا يسمح بإرسال معلومات أسرع من الضوء.

تستخدم خوارزميات كمومية معينة هذه الخصائص والتداخل لتحقيق مزايا في مسائل محددة. ولا تضمن الحوسبة الكمومية تسريع كل مسألة مقارنة بالحواسيب التقليدية.

الحالات الكمومية حساسة للتشويش، وقياسها والتحكم فيها من التحديات الأساسية. قد تساعد المواد الكهرضغطية عالية الجودة في تطوير واجهات لهذا الغرض.

قد تدخل رنانات نيتريد الألومنيوم في أنظمة كمومية هجينة. وستعمل وحدات المعالجة الكمومية إلى جانب المعالجات التقليدية في تطبيقات مناسبة. ناقشنا الموضوع في «وحدات المعالجة الكمومية (QPUs): مستقبل الحوسبة» وفي «الحالة الحالية للحوسبة الكمومية».

تشمل التطبيقات المحتملة أيضًا مستشعرات القوى، وتعليق المرايا، وتجارب التجاويف البصرية-الميكانيكية الكمومية التي تتطلب ضوضاء منخفضة وتماسكًا طويلًا. كما تتمتع مادة نيتريد الألومنيوم بخصائص بصرية وإلكترونية قد تدعم منصات هجينة؛ ولا يعني ذلك أن هذا الرنان أصبح مكونًا تجاريًا في كل تطبيق نانوي.

هذا مثال آخر على مدى أهمية المواد الكهروضغطية في التقنيات المستقبلية. يمكنك معرفة المزيد عن هذا الموضوع من خلال بعض مقالاتنا التي تغطي هذه المواد:

• المواد الكهرضغطية: مصدر شائع لتحويل الطاقة لا يعرفه كثيرون
• تقدم في نيتريد الكربون يفتح آفاقًا في علم المواد
• تطور المركبات الكهرضغطية لتحويل الطاقة الحركية والاستفادة منها
• تصغير لوحات الدوائر المطبوعة باستخدام محوّلات الطاقة الكهرضغطية

الاستثمار في التكنولوجيا النانوية

تتجاوز تطبيقات تكنولوجيا النانو تصنيع أشباه الموصلات، لتشمل أبحاث مواد للطيران والتقنيات الحيوية والطاقة والصناعات الكيميائية.

يمكن الاطلاع على أسهم شركات تعمل في تكنولوجيا النانو عبر الوسطاء. وعلى  securities.io تجد أدلتنا للوسطاء في  الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة،  وبلدان أخرى.

كان من أمثلة الصناديق القطاعية المتاحة في 2024  ProShares Nanotechnology ETF (TINY) . أما الصندوق السابق  Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) فقد صُفّي في فبراير 2023؛ ويعرض الرابط منهجيته التاريخية. لا توفر الصناديق القطاعية بالضرورة تعرضًا مباشرًا لهذا البحث، وتختلف مكوناتها ومخاطرها.

يمكن كذلك الاطلاع على قائمتنا «أفضل 10 أسهم في التكنولوجيا النانوية» وقائمة « أفضل 5 شركات حوسبة كمومية».

شركة تعمل في تقنيات التوقيت والرنانات

مع زيادة تعقيد الحواسيب والأنظمة الإلكترونية، تزداد أهمية التوقيت الدقيق ومزامنة الإشارات، بما في ذلك في تطبيقات تتطلب موثوقية عالية.

تركز SiTime (SITM ) على حلول التوقيت الدقيق باستخدام الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة المصنوعة من السيليكون (MEMS). وتقدمها بديلًا لبعض حلول الكوارتز التقليدية، مع خصائص تختلف بحسب المنتج:

• مقاومة للصدمات والاهتزازات وتغيرات الحرارة، مع ضبط تقلب توقيت الإشارة (jitter) والضوضاء.
• أحجام صغيرة وخيارات منخفضة الاستهلاك للطاقة.
• قابلية للبرمجة وخصائص أداء متنوعة.

المصدر: SiTime

تسوّق SiTime منتجاتها ضمن «التوقيت الدقيق». والأرقام الواردة في العرض التاريخي، مثل نمو 30–35% أو حصة 90%، تخص تقديرات الشركة وقطاعات محددة، ولا تمثل حصتها من كامل سوق التوقيت العالمي.

تعمل SiTime بنموذج أشباه الموصلات دون مصنع خاص: تطور التصميمات والملكية الفكرية وتستعين بمصنّعين خارجيين. تستخدم Nvidia (NVDA ) نموذجًا مشابهًا في رقائق الرسوميات والذكاء الاصطناعي.

• تحتاج شبكات الجيل الخامس إلى مزامنة دقيقة؛ ويختلف تحسن السرعة على الجيل الرابع بحسب الشبكة والتطبيق.
• تزيد سرعات نقل البيانات وأعباء الذكاء الاصطناعي في مراكز البيانات الحاجة إلى توقيت ومزامنة موثوقين.
• تحتوي المركبات الحديثة على مزيد من الإلكترونيات، وتحتاج أنظمة مساعدة السائق والقيادة الآلية إلى موثوقية وتزامن مناسبين لمتطلبات السلامة.
  • تقدم SiTime تقنية FailSafe في منتجات التوقيت للسيارات، بدمج وظائف التوقيت والتشخيص والسلامة. وأشار العرض المستخدم في 2024 إلى استهداف شحنات إنتاجية كبيرة في 2025؛ وهو جدول مستهدف آنذاك.
• يزيد نشاط الفضاء وإطلاق الأقمار الصناعية، ومنه نشاط SpaceX، الطلب على إلكترونيات ملائمة للاتصالات والتوقيت في هذه البيئات.
  • وتوجد تطبيقات دفاعية في الرادار والاتصالات والحرب الإلكترونية.

طرحت SiTime أسهمها في ناسداك عام 2019، ووسّعت منتجاتها خارج المذبذبات، بما في ذلك منتجات الرنانات التي أطلقتها في 2020. لم تنمُ نتائجها بصورة متواصلة: انخفضت إيرادات 2023 إلى نحو 144 مليون دولار من 283,6 مليون دولار في 2022.

المصدر: SiTime

قدّرت الشركة سوقها القابلة للخدمة بنحو مليار دولار في 2021 وأربعة مليارات في 2024، ضمن سوق توقيت أوسع قدّرته بعشرة مليارات دولار. هذه تقديرات لحجم الفرص السوقية، وليست إيرادات الشركة.

المصدر: SiTime

ذكر العرض التاريخي أن استثمارات SiTime التراكمية في البحث والتطوير منذ تأسيسها تجاوزت 500 مليون دولار. تتطلب تقنيات MEMS خبرة وبراءات وإنفاقًا كبيرًا، وقد ترفع هذه العوامل حواجز الدخول وتدعم علاقات طويلة مع العملاء.

تعمل SiTime في توقيت MEMS، بينما تعمل شركات مثل Broadcom (AVGO ) في مكونات الترددات الراديوية، وBosch في المستشعرات القصورية. وتعود بعض الجذور التقنية لشركة SiTime إلى أبحاث Bosch؛ وقد طُورت الشركة انطلاقًا من هذه الخبرة قبل أن تستحوذ عليها MegaChips اليابانية في 2014، ثم تطرح أسهمها في ناسداك في 2019.

يمكن لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي وشبكات الجيل الخامس والأقمار الصناعية وإلكترونيات المركبات أن تزيد الطلب على التوقيت الدقيق. ويتوقف أداء SiTime على المنافسة وطلب العملاء والتنفيذ التجاري.

مرجع الدراسة:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics. Advanced Materials, 36(44), 2403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}