الليزر يكشف عن المغناطيسية المخفية في المعادن اليومية

عالم التكنولوجيا يتقدم بسرعة، مع قيام الباحثين باكتشافات يومية. فقط الأسبوع الماضي، نشر العلماء عملهم، الذي حل لغزًا قديمًا في الفيزياء.

أجرى الباحثون من الجامعة العبرية بالتعاون مع جامعة بنسلفانيا ستيت وجامعة مانشستر الدراسة التي اكتشفت إشارات مغناطيسية دقيقة في معادن لا تكون عادةً مغناطيسية، باستخدام الضوء فقط وطريقة ليزر معدلة.

هذه التأثيرات المغناطيسية الخفيفة، التي تشبه إلى حد كبير “الهمسات”، في المواد غير المغناطيسية كانت غير قابلة للكشف سابقًا لأسباب واضحة؛ لأنها كانت صغيرة جدًا. ولكن الآن، تغير ذلك. هذه التأثيرات قابلة للقياس، وتكشف عن أنماط جديدة لسلوك الإلكترونات التي كانت مخفية حتى هذه الدراسة.

مع هذا الاكتشاف، حول العلماء تمامًا الطريقة التي نحقق بها في المغناطيسية في المواد اليومية، دون أسلاك أو أدوات ضخمة. هذا قد يفتح أيضًا آفاقًا نحو تخزين الذاكرة، الحوسبة الكمومية، وإلكترونيات أصغر، أسرع، وأكثر تقدمًا.

فكّ الاستجابة المغناطيسية الدقيقة في المعادن “الهادئة”

نُشرت الدراسة في مجلة Nature Communications¹، وتفصل طريقة جديدة لتحديد الإشارات المغناطيسية الدقيقة في معادن مثل الذهب (Au)، النحاس (Cu)، الألمنيوم (Al)، التنتالوم (Ta)، والبلاتينوم (Pt).

المسألة هي أننا كنا نعرف منذ زمن طويل أن التيارات الكهربائية تنحني في مجال مغناطيسي، وهو ما يُعرف بتأثير هول. هذا التأثير قوي ومعروف بشكل خاص في المواد المغناطيسية مثل الحديد، ولكن عندما يتعلق الأمر بالمعادن غير المغناطيسية الشائعة مثل الذهب، يكون التأثير ضعيفًا إلى حد ما.

يجب أن يساعد تأثير هول البصري (OHE)، وهو ظاهرة ذات صلة، في تصور سلوك الإلكترونات عندما يتفاعل الضوء مع المجالات المغناطيسية.

لكن ذلك نظريًا، ففي الأطوال الموجية المرئية يكون تأثير OHE خفيًا جدًا لدرجة أن العلماء لا يستطيعون اكتشافه. لذا، بينما نعلم بوجود هذا التأثير، نفتقر إلى الأدوات اللازمة لقياسه فعليًا.

«كان الأمر كأننا نحاول سماع همسة في غرفة صاخبة لعدة عقود. كان الجميع يعلم بوجود الهمسة، لكن لم يكن لدينا ميكروفون حساس بما يكفي لسماعها.»

– الأستاذ أمير كابوا من معهد الهندسة الكهربائية والفيزياء التطبيقية بالجامعة العبرية

كما أوضح الأستاذ كابوا، تُعتبر هذه المعادن مثل النحاس والذهب «هادئة مغناطيسيًا». على سبيل المثال، لا تلتصق هذه المواد، كالذهب والنحاس، بالثلاجة كما يفعل الحديد. «لكن في الواقع، تحت الظروف المناسبة، تستجيب لهذه المجالات المغناطيسية—ولكن بطرق دقيقة للغاية»، أضاف. وكان دائمًا من الصعب ملاحظة هذه التأثيرات الخفيفة.

لذا، بالتعاون مع جامعات أخرى، سعى الباحثون إلى دراسة كيفية اكتشاف هذه التأثيرات المغناطيسية الصغيرة جدًا في المواد غير المغناطيسية.

لهذا، لجأوا إلى تقنية تُسمى تأثير كيرك المغناطيسي البصري (MOKE) وقاموا بتحسينها. في طريقة MOKE، يُستخدم ليزر لقياس كيفية تأثير المغناطيسية على اتجاه الضوء.

تشير الدراسة إلى أن تأثير هول الشاذ (AHE) الذي يُلاحظ في الفيرومغناطيسيات (مواد مثل الحديد أو النيكل أو الكوبالت ذات ترتيب طويل المدى ومتوازي لللحظات الذرية ينتج عنه تمغنط صافي تلقائي) أقوى بكثير من تأثير هول العادي (OHE)، وبالتالي يكون تأثير هول البصري أضعف بكثير من تأثير كيرك المغناطيسي البصري (MOKE). إنه ضعيف لدرجة أنه لا يمكن اكتشافه تقريبًا في الضوء المرئي.

ومن هنا جاء سبب تعديل تقنية MOKE. قدم الباحثون تقنية MOKE التي تعتمد على تعديل ذي سعة كبيرة للمجال المغناطيسي المطبق خارجيًا. لهذا، استخدموا مغناطيسات دائمة موضوعة على قرص دوار.

جمع الباحثون ذلك مع ليزر أزرق بطول موجي 440 نانومتر، مما مكنهم من تعزيز حساسية التقنية بشكل كبير. ونتيجة لذلك، تمكنوا من اكتشاف «صدى» مغناطيسي في المعادن غير المغناطيسية، وهو ما كان في السابق شبه مستحيل التحقيق. وأشارت الدراسة إلى:

«إن الحساسية المتفوقة للتقنية تمهد الطريق لاكتشاف ظواهر وتطبيقات جديدة مثل تحديد التفاعل بين الدوران والسبين بصريًا.»

الصدى البصري يكشف عن الإشارات المغناطيسية المخفية في المعادن

تُعد قياسات هول تقنية أساسية في أبحاث المواد وفيزياء الحالة الصلبة. يتيح لنا تأثير هول دراسة المواد على المستوى الذري ومعرفة عدد الإلكترونات الموجودة في المعدن. وهو أمر حاسم في ربط الفجوة بين البحث الأساسي والتطبيقات العملية.

ومع ذلك، فإن قياس هذا التأثير كان تقليديًا عملية صعبة وتستغرق وقتًا، خاصةً عند العمل مع مكونات صغيرة جدًا على مقياس النانومتر. لهذا، كان على العلماء أولاً ربط أسلاك بالجهاز، لكن ليس بعد الآن.

النهج الجديد بسيط جدًا؛ فهو يحتاج فقط إلى توجيه ليزر على الجهاز الكهربائي.

كما أشار الأستاذ كابوا، حتى إدوين هول، الذي اكتشف تأثير هول، لم ينجح عندما حاول قياس التأثير باستخدام شعاع من الضوء. كما لخّص هول في الجملة الختامية من ورقته عام 1881:

«أعتقد أنه لو كان تأثير الفضة أقل بعشر مرات من تأثير الحديد، لكان قد تم اكتشاف التأثير. لم يُلاحظ أي تأثير من هذا النوع.»

لكن في البحث الأخير، لاحظ العلماء بالفعل التأثير «عن طريق ضبط التردد المناسب ومعرفة أين يبحثون»، قال الأستاذ كابوا.

بهذا، وجدت الفريق «طريقة لقياس ما كان يُعتقد أنه غير مرئي»، أضاف الأستاذ كابوا، «تحول هذه الدراسة مشكلة علمية عمرها قرابة 150 سنة إلى فرصة جديدة».

ساعد الغوص أعمق الفريق على اكتشاف أن ما كان يبدو «ضوضاء» عشوائية في إشارتهم لم يكن عشوائيًا حقًا، بل كان يحمل معنى واضحًا ونمطًا.

النمط المتبع كان مرتبطًا بالربط بين الدوران والسبين (SOC). هذه الخاصية الكمومية تربط بين حركة الإلكترونات وكيفية دورانها، مما يؤثر على طريقة تبديد الطاقة المغناطيسية في المواد.

هذه الأفكار الجديدة التي تم اكتسابها لها آثار مباشرة وهامة على تصميم أجهزة السبينترونكس، والذاكرة المغناطيسية، والأنظمة الكمومية.

«إنه كاكتشاف أن الضوضاء في الراديو ليست مجرد تشويش—بل هي شخص يهمس بمعلومات قيمة. نحن الآن نستخدم الضوء لـ«الاستماع» إلى هذه الرسائل المخفية من الإلكترونات.»

– طالب الدكتوراه ناداف أم شالوم من الجامعة العبرية

تقنية جديدة هذه توفر أداة غير غازية وحساسة للغاية لاستكشاف المغناطيسية في المعادن، دون الحاجة إلى مغناطيسات ضخمة أو ظروف تبريدية.

يمكن أن تساعد بساطة ودقة التقنية المهندسين على بناء أنظمة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، ومعالجات أسرع، وأجهزة استشعار ذات دقة عالية.

لكن هذا كلّه مجرد البداية، حيث تتحدث الدراسة عن توسيع طيف المواد في الأعمال المستقبلية. وهذا يشمل معادن إضافية، أفلام متعددة الطبقات، أشباه موصلات، ومواد طوبولوجية وثنائية الأبعاد.

كما أن «القياس المتعلق بدرجة الحرارة يثير اهتمامًا خاصًا، لأنه قد يوفر رؤى أساسية حول آليات الضوضاء ويؤسس لفهم أعمق لأصلها»، وفقًا للدراسة.

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للليزر تحويل المواد غير المغناطيسية إلى مغناطيسية.

توسيع تأثير هول بإمكانات جديدة

خلال العام الماضي، واصل الباحثون استكشاف تقنيات تأثير هول، مدفعين حدود الممكن. بناءً على قياسات هول الكهربائية الكلاسيكية، يكتشف العلماء أنظمة جديدة، مما يشير إلى تحول جذري.

يتضمن ذلك الاكتشاف² لتأثيرات هول غير خطية (NLHE) ملحوظة عند درجة حرارة الغرفة في التيلوريوم (Te). هذا التأثير هو استجابة من الدرجة الثانية للتيار المتناوب المطبق (AC) التي تولد إشارات توافقيّة ثانية دون الحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي.

NLHE، عضو جديد في عائلة تأثير هول، حظي بالكثير من الاهتمام بسبب إمكاناته في الاستخدام في أجهزة تضاعف التردد وتصحيح التيار. ومع ذلك، فإن التحديات مثل درجات الحرارة المنخفضة وإخراجات جهد هول المنخفضة قد حدّت من تطبيقاته العملية.

لذلك، بحث فريق من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC) التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) بحثًا عن أنظمة تُظهر NLHE ملحوظًا في مواد أشباه الموصلات. ثم درسوا الاستجابة غير الخطية للتيلوريوم، عنصر هش ونادر يمتلك سلسلة حلزونية أحادية البُعد. يفتقر هيكله بطبيعته إلى تماثل الانعكاس، مما يجعل Te مرشحًا مثاليًا.

عند اختبار رقائق رقيقة من التيلوريوم (Te)، اكتشفوا تأثيرات هول غير خطية ملحوظة عند درجة حرارة الغرفة. عند درجة حرارة 300 كلفن، يمكن أن يصل الحد الأقصى لإخراج التوافقي الثاني إلى مستوى أعلى بعامل عشرة مقارنةً بالسجلات السابقة، يصل إلى 2.8 ملي فولت.

عند الغوص أعمق، تبين أن NLHE الملاحظ في الرقائق الرقيقة من التيلوريوم ناتج أساسًا عن التشتت الخارجي. هنا، لعب كسر تماثل سطح البنية دورًا حاسمًا.

استنادًا إلى ذلك، تم استبدال التيار المتناوب بإشارات تردد راديو (RF) التي حققت تقويمًا لاسلكيًا لتردد الراديو في رقائق التيلوريوم الرقيقة وحققت إخراجًا مستقرًا للجهد المقوم على مدى 0.3 إلى 4.5 جيجاهرتز. بهذه الطريقة، يفتح الدراسة آفاقًا جديدة لتطوير أجهزة إلكترونية متقدمة.

مؤخرًا، ركز باحثون من جامعة نيو ساوث ويلز على الحالات الضخمة للموصلات الطوبولوجية، Bi2Se3 و Sb2Te3، ووجدوا³ أن عزم هول المداري يهيمن على عزم هول السبين لتحويل فعال للتيار الشاحني إلى تيار سبين.

تُنتج الحالات الضخمة OHE كبيرًا، يصل إلى ثلاثة أضعاف من SHE، في الموصلات الطوبولوجية، جزئيًا بسبب الزخم الزاوي المداري لكل إلكترون موصل يكون أكبر من سبينه.

كما أشار إلى أن تحسين تحويل المداري إلى سبين في أجهزة عزم الدوران للموصلات الطوبولوجية (TI) هو المفتاح للحصول على تحكم أكثر كفاءة في التمغنط، لكن ذلك سيتطلب تقنيات متقدمة وفيرومغناطيسيات محددة.

في الوقت نفسه، أظهر باحثون من جامعة يوهانس جوتنبرغ إثباتًا⁴ لاستخدام فعال للموصلية المدارية المحسّنة لطبقات الكروم (Cr) والنيوبيا (Nb) والروثينيوم (Ru) مع طبقة فيرومغناطيسية مُمغنطة عموديًا لأجهزة الذاكرة العشوائية المغناطيسية (MRAM) التي تعتمد على عزم الدوران المداري (SOT).

توعد أجهزة SOT-MRAM بأداء أفضل، وعدم فقدان للبيانات، وكفاءة طاقة أعلى مقارنةً بذاكرة الوصول العشوائي الثابتة. لتحقيق احتفاظ طويل بالبيانات وتبديل مغناطيسي فعال في هذه الأجهزة، نحتاج إلى فيرومغناطيسيات ذات تماثل مغناطيسي عمودي (PMA) مقترنة بعزوم كبيرة تُعززها ظاهرة هول المداري (OHE).

لذا، صمم الفريق طبقة FM من (Co/Ni)3 ذات تماثل مغناطيسي عمودي على طبقات OHE المختارة، ودرسوا إمكانات الموصلية المدارية (OHC).

تظهر النتائج تحسينًا بنسبة 30٪ في كفاءة العزم وتقليلًا بنسبة 60٪ في طاقة التبديل، مما يبرز «الإمكانات الواعدة لاستغلال هول المداري المحسّن لتعزيز أداء أجهزة SOT MRAM من الجيل التالي لتطبيقات الذاكرة المخبئية عالية الكثافة».

الاستثمار في تقنية السبينترونكس

Everspin Technologies (MRAM ) تستخدم بنشاط دوران الإلكترون بدلاً من الشحنة لتخزين البيانات. هي مطور رائد لحلول الذاكرة العشوائية المقاومة للمغناطيسية (MRAM)، وهو نوع من الذاكرة غير المتطايرة التي تخزن البيانات في نطاقات مغناطيسية.

يستخدم MRAM مغناطيسية دوران الإلكترون لتوفير عدم الفقدان ويخزن المعلومات في مادة مغناطيسية مدمجة مع دوائر سيليكون لتوفير عدم الفقدان الذي توفره الذاكرة الفلاش وسرعة الذاكرة SRAM في جهاز واحد.

تشمل منتجات تكنولوجيا MRAM الخاصة بها Toggle MRAM، التي توفر ذاكرة بسيطة وعالية الكثافة باستخدام تصميم خلية Toggle الحاصل على براءة اختراع من Everspin لتقديم موثوقية عالية. المنتج الآخر هو Spin-transfer Torque MRAM (STT-MRAM)، الذي يستخدم تعديل دوران الإلكترونات بتيار مستقطب لتحديد الحالة المغناطيسية المطلوبة لخلية MTJ.

Everspin Technologies (MRAM )

بقيمة سوقية تبلغ 150 مليون دولار، يتم تداول أسهم MRAM حاليًا بسعر 6.68 دولار، بارتفاع 4.54٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو -0.01، ومعدل السعر إلى الربح (TTM) هو -451.35.

في الربع الأول المنتهي في 31 مارس 2025، أبلغت الشركة عن إيرادات إجمالية قدرها 13.1 مليون دولار. وكانت مبيعات منتجات MRAM، بما في ذلك إيرادات كل من Toggle و STT-MRAM، 11 مليون دولار. وكانت إيرادات الترخيص والحقوق والبراءات وغيرها 2.1 مليون دولار.

خلال هذه الفترة، كان هامش الربح الإجمالي 51.4٪، وكانت مصاريف التشغيل وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) 8.7 مليون دولار، وكان صافي الخسارة وفقًا لمبادئ GAAP 1.2 مليون دولار أو (0.05) دولار لكل سهم مخفف، وكان صافي الدخل غير GAAP 0.4 مليون دولار أو 0.02 دولار لكل سهم مخفف.

ارتفعت النقدية والنقد المعادل في نهاية الربع إلى 42.2 مليون دولار.

هذا العام، حصلت Everspin أيضًا على عقد من جامعة بوردو لاستخدام MRAM كقاعدة في برنامج يُدعى CHEETA (أجهزة CMOS+MRAM للذكاء الاصطناعي الفعال طاقة). وفي الوقت نفسه، تم اعتماد MRAM من نوع PERSYST لتكوينه عبر جميع شرائح FPGA من Lattice Semiconductor (LSCC ).

في وقت سابق من هذا العام، أعلنت الشركة عن منتجين جديدين كجزء من عائلة Orion xSPI، يتميزان بمدى درجات حرارة مناسب للسيارات لتلبية متطلبات الذاكرة المستمرة عالية السرعة في البيئات القاسية.

«نتوقع أن يقوم عملاؤنا الحاليون والجدد بنشر منتجات وتقنيات MRAM القوية من Everspin في مثل هذه التطبيقات الحيوية من خلال فوز بتصاميم وبرامج صلبة ضد الإشعاع لتطبيقات الذاكرة و FPGA.»

– أغغاروال

أحدث أخبار وتطورات أسهم Everspin Technologies (MRAM)

الخلاصة

مع كل دراسة جديدة، يكشف الباحثون عما لم يتمكن العلماء من اكتشافه لسنوات. الدراسة الأخيرة تفعل ذلك بالضبط من خلال تحويل الإشارات البصرية الخفيفة إلى وجود مغناطيسي واضح، مما يخلق طريقة جديدة لاستكشاف دوران الإلكترون غير الغازية. علاوة على ذلك، كشفوا أن ما كان يبدو ضوضاء في الواقع يشفّر معلومات غنية عن الدوران والسبين، ويمكن أن يحول تصميم السبينترونكس، والذاكرة المغناطيسية، والتقنيات الكمومية، مما يؤدي إلى أجهزة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وقدرة تخزين بيانات محسنة.

انقر هنا لتعرف كيف سيمكن اختراق ذاكرة Ni₄W من التبديل بدون مغناطيس.

المراجع:

1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburg, N.; Vinnicombe, H.; Illg, C.; Földes, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfrey, A.; Bromley, S. T.; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, D. R.; Stiles, M. D.; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. تقنية MOKE وتأثير هول البصري الحساسة عند الأطوال الموجية المرئية: رؤى حول تخميد غيلبرت. Nature Communications, 16, 6423 (2025). نُشرت على الإنترنت 17 يوليو 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61249-4
2. Cheng, B.; Gao, Y.; Zheng, Z.; Wang, K.; Liu, X.; Li, Z.; Wang, G.; Liu, Y.; Huang, J.; Lai, J.; Xu, C.; Zhang, Y.; Zhao, Y.; Wang, J.; Lin, X.; Xu, X.; Lu, H.; Xu, Y. هول غير خطي هائل وتأثيرات التقويم اللاسلكي عند درجة حرارة الغرفة في أشباه الموصلات العنصرية التيلوريوم. Nature Communications, 15, 5513 (2024). نُشرت على الإنترنت 29 يونيو 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. تأثير هول المداري الضخم بسبب الحالات الضخمة للموصلات الطوبولوجية ثلاثية الأبعاد. npj Spintronics, 3, 22 (2025). نُشرت على الإنترنت 3 يونيو 2025. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Shin, H.; Tang, P.; Shukla, N.; Kundu, A.; Sinn, S.; Finizio, S.; Heidler, J.; López-Díaz, L.; Kläui, M.; Jakob, G.; Kronast, F.; Jungfleisch, M. B.; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, S. S. P. استغلال تأثير هول المداري في MRAM بعزم الدوران المداري. Nature Communications, 16, 130 (2025). نُشرت على الإنترنت 2 يناير 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x