الحوسبة

كيف يساهم الطباعة ثلاثية الأبعاد الفائقة التوصيل في تقدم الحوسبة الكمومية

mm
نُشر في
تم التحديث في
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

التصنيع على المستوى النانوي: بناء المستقبل ذرةً بذرّة

مع تطور سيطرة العلماء المتزايدة على العالم المادي، يُتوقع مزيد من الدقة في عمليات التصنيع لدينا. من صهر المعادن بشكل بدائي في الأفران، أصبحنا الآن نتحكم في الذرات الفردية لتشكيل حساسات متقدمة، وترانزستورات، وغيرها.

نتيجة أخرى لهذا المستوى المتزايد من التحكم هي إمكانية تعديل خصائص المادة جذريًا. نحن الآن على دراية بكيفية جعل طبقة رقيقة من السيليكون “تفكر” بتحويلها إلى شريحة حاسوب.

تغييرات أخرى ممكنة، لا سيما إعطاء المواد خصائص طبيعية لا تمتلكها أبدًا في الطبيعة. إحدى الطرق لتحقيق ذلك هي تعديل هيكلها على مستوى النانو.

اكتشف العلماء في معهد ماكس بلانك (ألمانيا)، ومعهد التقنيات الإلكترونية الناشئة (ألمانيا)، وجامعة فيينا (النمسا) أنهم يستطيعون تحويل مادة إلى موصل فائق عن طريق تغيير تكوينها ثلاثي الأبعاد، وبناء هياكل نانوية معقدة.

أعلنوا عن اكتشافهم في مجلة Advanced Function Material1 تحت عنوان “هندسة نانوية فائقة التوصيل ثلاثية الأبعاد قابلة لإعادة التكوين”.

لماذا تُعد الهياكل النانوية ثلاثية الأبعاد مفتاحًا لتجاوز حدود التكنولوجيا ثنائية الأبعاد

يتم تصميم العديد من الأنظمة النانوية على شكل أوراق ثنائية الأبعاد بسيطة، مما يتيح للعلماء التحكم فيها بدقة.

مع ذلك، يتيح الانتقال إلى الأبعاد الثلاثية فرصة لتجاوز القيود الأساسية وتحقيق وظائف جديدة.

على سبيل المثال، أدت قيود تصغير أشباه الموصلات إلى أن الأجهزة ثنائية الأبعاد لم تعد تتبع قانون مور. بدلاً من ذلك، انتقلت الصناعة إلى تقنية CMOS المكدسة ثلاثية الأبعاد لزيادة كثافة الأجهزة والاتصال بينها.

وبالمثل، في مجال البصريات، توفر المواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد تحكمًا جديدًا في خصائص الضوء، مثل الاستقطاب العريض النطاق أو مؤشرات الانكسار السالبة، ولكل منها تطبيقات واسعة محتملة.

الأمر نفسه الآن ينطبق على الموصلات والموصلات الفائقة، حيث تم بناء عملية تعمل كطابعة نانوية ثلاثية الأبعاد، تُنشئ هياكل ليس على سطح مسطح بل في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

التأثيرات الكمومية في الهياكل الفائقة ثلاثية الأبعاد

تنبأت نظريات فيزياء الجسيمات الكمومية بالفعل بأن الهياكل ثلاثية الأبعاد ستتصرف بشكل مختلف تمامًا عن نظيراتها ثنائية الأبعاد. وهذا صحيح بشكل خاص للموصلات الفائقة، وهي مواد لا تمتلك أي مقاومة كهربائية، حيث كان من المتوقع أن تسمح الهياكل ثلاثية الأبعاد بالتحكم المحلي في دوامات الفائقة.

حُصل على اكتشاف هذا النوع من “الدوامة المغناطيسية” بجائزة نوبل في الفيزياء عام 2003، وكان ذلك اختراقًا رئيسيًا في شرح كيفية عمل الفائقة التوصيل.

المصدر: Nobel Prize

يجب أن يؤدي هيكلة المادة الفائقة ثلاثية الأبعاد أيضًا إلى خلق ظواهر كمومية جديدة كليًا (مثل “الحالة العقدية في شريط مويس الفائق التوصيل“) التي يمكن للباحثين استخدامها لاحقًا لتطوير تطبيقات عملية.

كيف بنى العلماء طابعة نانوية ثلاثية الأبعاد للموصلات الفائقة

استخدم الباحثون تقنية الترسيب المحفز بحزمة إلكترونية مركزة ثلاثية الأبعاد (3D FEBID)، وهي طريقة معروفة لبناء هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد لم تُستَخدم بعد للمواد الفائقة التوصيل حتى الآن.

قاموا ببناء هيكل على شكل هرم يتكون من أربعة خيوط نانوية تدعم بعضها البعض. وهو مصنوع من كربيد التنجستن الفائق التوصيل (W-C).

ثم أكدوا أن الهيكل يُظهر انتقالًا فائقًا حادًا عند حوالي 5 كلفن (-268°C / -450°F).

ثم قيَّموا أن الدوامات يمكنها الانتشار على طول الهيكل بحركة ثلاثية الأبعاد، مما يؤدي إلى نقل المعلومات والجهد على مسافات طويلة. كما أن الهيكل ثلاثي الأبعاد يتحكم في شكل الدوامات.

الفائقة القابلة لإعادة التكوين باستخدام المجالات المغناطيسية

من خلال تغيير اتجاه المجال المغناطيسي، يمكن تشغيل أو إيقاف الخاصية الفائقة حسب الرغبة، بفضل شكل الدوامات.

سمح ذلك بإنشاء هيكل ثلاثي الأبعاد فائق كامل (SC)، أو نصف فائق فقط، أو كامل بمقاومة كهربائية عادية (N).

تزداد إمكانية إنشاء حالات فائقة توصيل مختلفة داخل الهيكل إثارةً مع إمكانية بناء هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد على التوالي وربطها معًا، باستخدام نظام يُسمى روابط جوزيفسون الضعيفة.

«وجدنا أنه من الممكن تشغيل وإيقاف حالة الفائقة التوصيل في أجزاء مختلفة من الهيكل النانوي ثلاثي الأبعاد، ببساطة عن طريق تدوير الهيكل في مجال مغناطيسي.

وبهذه الطريقة، تمكنا من تحقيق جهاز فائق قابل لإعادة التكوين!».Claire Donnelly – Lise Meitner Group leader at the MPI-CPfS

يفتح هذا الطريق لبناء تجميعات فائقة معقدة من المكونات الفرعية الفردية، مثل الجسور المعلقة النانوية.

 

 

كيف يمكن للموصلات الفائقة ثلاثية الأبعاد أن تُحدث ثورة في الحساسات والرقائق الكمومية

على الرغم من كونها مثيرة للإعجاب للغاية، قد يكون من غير الواضح في البداية كيف يمكن الاستفادة من هذه السيطرة على الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد للمواد الفائقة في التطبيقات الواقعية.

أولاً، من المعروف بالفعل أن روابط جوزيفسون الضعيفة يمكن استخدامها لإنشاء حساسات مجال مغناطيسي فائقة الحساسية. سابقًا، كان من الضروري دمج مثل هذا النظام في تصميم الفيلم الرقيق ثنائي الأبعاد وتحديده مسبقًا. مع هذا النظام القابل لإعادة التكوين، فإن الميزة الجوهرية التي توفرها البنية ثلاثية الأبعاد هي إمكانية إجراء قياسات أكثر دقة وتحكمًا.

مجال آخر سيستفيد هو الحوسبة القائمة على الموصلات الفائقة، بما في ذلك الأنورومورفيك ذات الكفاءة الطاقية والحوسبة الكمومية. يجب أن تساعد الزيادة في الترابط والتعقيد التي توفرها الهندسات ثلاثية الأبعاد في إنشاء رقائق حوسبة أكثر تعقيدًا وقوة لهذه الأنظمة.

في النهاية، قد يشكل هذا اللبنات الأساسية للمفاصل ثلاثية الأبعاد متعددة الأطراف ومصفوفات مترابطة من الروابط الضعيفة القابلة لإعادة التكوين. معًا، ينبغي أن تغير هذه بشكل جذري طريقة تصنيع الحاسوب الكمومي، متجاوزة الأنظمة ثنائية الأبعاد الحالية. كما ينبغي أن تكون أكثر مرونة، حيث يمكن إعادة تكوين العتاد نفسه.

الاستثمار في حلول الفائقة التوصيل

American Superconductor Corporation: الاستثمار في الفائقة التوصيل الواقعي

(AMSC )

تُعد AMSC شركة تقدم حلولًا طاقة لشبكة الكهرباء، والسفن، وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كان النظام أكثر استهلاكًا للطاقة أو أكبر حجمًا، كلما احتاج إلى تقنية الفائقة التوصيل لتجنب السخونة الزائدة.

على الرغم من اسمها، تقدم ASMC ليس فقط أنظمة الفائقة التوصيل بل أيضًا، على سبيل المثال، أنظمة نقل الحركة للتوربينات الريحية.

تستفيد الشركة من عدة محركات نمو، بما في ذلك اتجاه الكهرباء والرقمنة (بما في ذلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي)، وإعادة توطين القدرات التصنيعية الأمريكية، والحاجة إلى تحديث بحريات دول الأنجلوسفير استجابةً للمخاطر الجيوسياسية المتزايدة.

في قطاع إمداد الطاقة، شهدت AMSC ارتفاعًا مستمرًا في الطلبات. جاء ذلك نتيجة لمصانع أشباه الموصلات التي تسعى للحماية من تقلبات شبكة الكهرباء، ومساعدة الشبكة على التعامل مع الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة، وإمداد الطاقة والتحكم في المواقع الصناعية.

تعمل AMSC في الغالب مع أنظمة التحكم الكهربائي (ECS) في قطاع توربينات الرياح. تاريخيًا، كان ESC قطاعًا قويًا للشركة مع توربينات الرياح بقدرة 2 ميجاواط، لكنه تراجع تدريجيًا. تهدف AMSC إلى انتعاش بفضل تصميم التوربين الجديد بقدرة 3 ميجاواط، مع تركيز خاص على السوق الهندية.

 

بالنسبة للسفن العسكرية، تقدم ASMC نظام “إجراء مكافحة الألغام المغناطيسية للموصل الفائق عالي الحرارة من AMSC”، وهو نظام لتغيير البصمة المغناطيسية للسفن لحمايتها من ألغام البحر. يُباع هذا النظام لبحريات الولايات المتحدة وكندا والمملكة المتحدة، وقد وصل حجم الطلبات إلى 75 مليون دولار حتى الآن.

بشكل عام، تتفوق ASMC في استغلال تقنية الفائقة التوصيل في التطبيقات المتخصصة المتاحة اليوم، مع احتمال جاهزيتها لتطبيق مزيد من التقدمات في المستقبل.

يجب على المستثمرين أيضًا ملاحظة أن السهم شهد تقلبًا شديدًا في الماضي، ويجب عليهم حساب المخاطر وفقًا لذلك.

أحدث American Superconductor Corporation (AMSC) أخبار الأسهم والتطورات

الدراسات المشار إليها:

1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.تمكن هندسة المراحل المعقدة هيكليًا من تمكين سبائك الألمنيوم المقاومة للهيدروجين. Nature641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2

mm

جوناثان هو باحث سابق في الكيمياء الحيوية عمل في التحليل الجيني والاختبارات السريرية. وهو الآن محلل أسهم وكاتب مالي يركز على الابتكار ودورات السوق والسياسة الجغرافية في منشورته "The Eurasian Century"