فهم جديد للمغناطيسية قد يدفع تقدم الموصلات الفائقة والحواسيب الكمومية

مادة جديدة لنظريات مغناطيسية جديدة

تساعد دراسة الظواهر الكهرومغناطيسية على المستوى الكمومي في فهم مواد قد تكون مفيدة للحوسبة والطاقة. ومن المجالات المرتبطة بهذا البحث:

• الحوسبة الكمومية.
• الاندماج النووي.
• البحث عن موصلات فائقة تعمل في درجات حرارة أعلى.

ما زال العلماء يكتشفون سلوكًا غير متوقع في مواد مغناطيسية. ففي 2022 درس فريق تقوده جامعة رايسمادة كاغوميذات ترتيب ذري مميز، ولاحظوا أنها تُظهر خصائص مغناطيسية مفاجئة.

وفي 30 أكتوبر 2024 نُشرت دراسة جديدة في Nature Communications بعنوان «استمرار انقسام الحزمة المسطحة وإعادة تطبيع انتقائية قوية للحزم في غشاء رقيق من مغناطيس كاغومي¹». تاريخ 18 أكتوبر هو تاريخ قبول الورقة، لا تاريخ نشرها.

شارك في العمل باحثون من جامعة غرب بوهيميا في التشيك، ومعهد وايزمان للعلوم في إسرائيل، ومختبر بروكهافن الوطني، ومختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة، إلى جانب جامعة رايس.

مادة كاغومي

لفهم النتائج، من المفيد أولًا التعرف إلى البنية المعروفة باسم كاغومي.

استُعير الاسم من نمط نسج ياباني يضم مثلثات وفراغات سداسية. وفي المواد يشير إلى ترتيب ذري مشابه.

المصدر: Research Gate

تظهر هذه الشبكة في مواد مختلفة، منها مركبات الحديد والجرمانيوم والحديد والقصدير. درست ورقة 2024 أغشية FeSn، وهي ليست المادة نفسها التي تناولتها دراسة FeGe في 2022.

المصدر: Rice University

خصائص مغناطيسية فريدة

أظهرت دراسة 2022 تفاعلًا بين المغناطيسية وموجة كثافة الشحنة في FeGe:

• تؤثر هندسة الشبكة في حركة الإلكترونات وتفاعلاتها. لا يعني ذلك بالضرورة وجود تيار فائق التوصيل.
  • ظهرت موجة كثافة الشحنة عند درجة حرارة منخفضة بعد نشوء الترتيب المغناطيسي عند درجة أعلى. لم تثبت هذه التجربة موصلية فائقة في درجة حرارة الغرفة.
• تشير «موجة كثافة الشحنة» إلى تعديل دوري في كثافة الشحنة الإلكترونية، وليس اندماج الإلكترونات في تيار واحد.
  • ولا تعني أن تيارًا فائق التوصيل يتدفق على شكل قطرات أو نبضات.
• قد تتعايش موجة كثافة الشحنة والمغناطيسية وتؤثر إحداهما في الأخرى. ليستا خاصيتين يستحيل اجتماعهما.

توفر مواد كاغومي بيئة لدراسة الترابط الإلكتروني وظواهر مثل «الموصلية الفائقة غير التقليدية» أو «التقلبات المستمرة بين الحالات المغناطيسية في سوائل الكم المغزلية».

ترى مينغ يي أن معرفة البنية البلورية تساعد في توقع البنية الإلكترونية وبعض السلوكيات المحتملة للمادة.

وتجعل هذه الخصائص كاغومي منصة مفيدة لتطوير الفهم النظري، من دون ضمان الحصول على أي خاصية مرغوبة بمجرد اختيار البنية.

مينغ يي — باحثة في الفيزياء والفلك بجامعة رايس

رؤى جديدة حول مادة كاغومي

قدمت دراسة FeSn أدلة تدعم وجود عزوم مغناطيسية محلية، إذ استمر انقسام الحزم فوق درجة الترتيب المغناطيسي. لا تحسم هذه النتيجة أصل المغناطيسية في جميع معادن كاغومي.

استخدم الباحثون تقنية النمو بالحزمة الجزيئية لصنع أغشية عالية الجودة، ثم حللوا بنيتها الإلكترونية بمطيافية الانبعاث الضوئي المحلولة زاويًا.

المصدر: Nature

أظهرت النتائج أيضًا أثرًا انتقائيًا قويًا للترابط الإلكتروني في بعض الحزم، مما يساعد على تطوير نماذج هذه المواد.

التطبيقات

قد يصعب ربط هذه النتائج الأساسية بتطبيق مباشر. لكنها قد تحسن فهم مواد مترابطة إلكترونيًا، ومنها مواد لا تزال آلياتها غير مفهومة بالكامل، مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. لا تعني الدراسة اكتشاف موصل فائق جديد أو جهاز جاهز.

أوضحت مينغ يي أن الربط بين القياس والنظرية يصبح أصعب في المواد شديدة الترابط.

حتى عند العثور على مادة تجمع الخصائص الطوبولوجية والترابط القوي، يحتاج تفسير النتائج إلى نماذج مناسبة واختبارات إضافية.

مينغ يي — جامعة رايس

قد يفيد فهم المواد الكمومية في أبحاث الحوسبة الكمومية مستقبلًا. لكن الدراسة لم تُظهر بوابة منطقية كمومية أو كيوبتًا مبنيًا من هذا الغشاء.

في المواد ضعيفة الترابط يمكن أن تنجح الحسابات القائمة على المبادئ الأولى بدرجة جيدة.

وقد تساعد معرفة ترتيب الذرات في توقع الحزم الإلكترونية والخصائص الطوبولوجية. تزداد صعوبة ذلك عندما تصبح تفاعلات الإلكترونات قوية.

مينغ يي — جامعة رايس

الاستثمار في مادة مغناطيسية متقدمة

تظل الموصلية الفائقة والمواد الكمومية مجالات بحث مهمة. تناولنا بعض التطورات والتحديات في مقال «التقدم في الموصلية الفائقة وإمكاناته التقنية».

ومن الموضوعات التي ناقشناها أيضًا الغرافيت البيروليتي وخواصه المغناطيسية, الموصلية الفائقة عند واجهات ثنائية الأبعادو الادعاءات المتعلقة بالمادة LK-99. ينبغي التمييز بين المغناطيسية المعاكسة والموصلية الفائقة. ولم تتأكد ادعاءات LK-99 كموصل فائق في درجة حرارة الغرفة والضغط العادي.

يمكن تداول أسهم شركات مرتبطة بهذا المجال عبر وسطاء مختلفين، وتوجد توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة, كندا, أستراليا, المملكة المتحدة, ودول أخرى على securities.io.

يمكن أيضًا الرجوع إلى مقالَي «عشر شركات للحوسبة بمواد وتقنيات بديلة للسيليكون» و«عشرة أسهم في مجال تقنية النانو».

شركات الحوسبة الكمومية

International Business Machines Corporation (IBM )، أو IBM، شركة رائدة تاريخيًا في الحوسبة التجارية والحواسيب المركزية. تختلف أعمالها عن شركات تصميم الشرائح أو تصنيعها، لذا لا تكفي مقارنة أحجام الإنتاج مع Apple (AAPL ) أو TSMC أو NVIDIA (NVDA ) لتقييم موقعها.

تطور IBM أيضًا معالجات كمومية. ومن أمثلتها التاريخية Eagle ذو 127 كيوبتًا وOsprey ذو 433 كيوبتًا.

وفي 2023 أعلنت عن Condor ذي 1,121 كيوبتًا فائق التوصيل ومعالج Heron. يختلف تصميمهما وأداؤهما؛ فعدد الكيوبتات الفيزيائية وحده لا يقيس القدرة الحاسوبية أو تحمل الأخطاء.

قد تساعد أبحاث التحكم والمواد في تحسين استقرار الكيوبتات. غير أن هذه الدراسة لا تثبت تحسنًا محددًا في معالجات IBM.

قد تسهم مواد فائقة التوصيل تعمل في درجات حرارة أعلى في تطبيقات طاقة وتبريد معينة. ولا يعني بحث المغناطيسية الحالي تحقق هذه التطبيقات.

تشمل مجالات بحث IBM أيضًا المواد العضوية الموصلة, الحوسبة العصبية, الفوتونياتوغيرها.

تمتلك IBM براءات وتراخيص، لكنها تدير أيضًا أعمال برمجيات واستشارات وأنظمة وخدمات. اختزالها في «شركة براءات» لا يصف نموذج أعمالها.

البحث في أساليب جديدة للحوسبة قد يفتح فرصًا، لكنه لا يضمن امتلاك كل البراءات الأساسية أو تحقيق عائد تجاري من مواد كاغومي.

تطورت NVIDIA من شركة معروفة بمعالجات الرسوميات إلى مورد رئيسي لأجهزة وبرمجيات الذكاء الاصطناعي.

ساعدت CUDA، وهي منصة برمجة للحوسبة المتوازية على معالجات الشركة الرسومية، على توسيع الاستخدامات خارج الألعاب.

أشار جنسن هوانغ إلى أن الباحثين استخدموا بطاقات GeForce في مهام مثل الديناميكيات الجزيئية ومعالجة الصور وإعادة بناء صور التصوير المقطعي.

جنسن هوانغ — مقابلة مع Sequoia

دعم انتشار الأجهزة والبرمجيات ما يُعرف باسم تأثيرات الشبكة: يجذب اتساع منظومة المطورين أدوات ومستخدمين إضافيين، وقد يدعم الاستثمار في التطوير. لكنه ليس دورة نمو مضمونة بلا منافسة.

المصدر: Nvidia

عرضت NVIDIA في 2024 قاعدة كبيرة من المعالجات المتوافقة مع CUDA. وهذا رقم تاريخي يتغير بمرور الوقت.

قانون مور نفسه يصف نموًا أُسيًا تقريبيًا في عدد الترانزستورات، لا نموًا خطيًا. أما أداء الذكاء الاصطناعي فيتأثر بالأجهزة والخوارزميات والدقة العددية وحجم النماذج؛ ولا يتبع معدلًا عالميًا ثابتًا.

المصدر: NVIDIA

إلى جانب نشاطها في المعالجات والذكاء الاصطناعي، تعمل NVIDIA على أدوات للحوسبة الكمومية الهجينة.

تدعم CUDA-Q برمجة أنظمة تجمع المعالجة التقليدية والكمومية. وقدمت خدمة NVIDIA Quantum Cloud في 2024 محاكاة كمومية مسرعة بالمعالجات الرسومية؛ وهذا لا يعني استئجار معالج كمومي فيزيائي تصنعه NVIDIA.

المصدر: NVIDIA

تساعد cuQuantum في محاكاة الدوائر الكمومية على أجهزة تقليدية. أما cuPQC فهي أدوات للتشفير المقاوم للهجمات الكمومية، وليست تشفيرًا ينفذه حاسوب كمومي. وتستهدف DGX Quantum ربط الحوسبة التقليدية بأنظمة كمومية.

تدعم هذه الأدوات بناء منظومة للحوسبة الهجينة، لكنها تختلف عن إنتاج كيوبتات فعلية أو إثبات فائدة كمومية تجارية.

المصدر: NVidia

يمكن أن تنشأ فرص أعمال جديدة إذا توسعت هذه الاستخدامات. ويظل النجاح وحجم الإيرادات المستقبلية مرتبطين بالتبني والتطوير والمنافسة، لا بوعد نمو أُسي مضمون.

دراسة مرجعية:

^{1. Ren, Z., Huang, J., Tan, H. وآخرون. (2024). استمرار انقسام الحزمة المسطحة وإعادة تطبيع انتقائية قوية للحزم في غشاء رقيق من مغناطيس كاغومي. Nature Communications, 15, المقالة 9376. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}