كيف تساهم الطباعة ثلاثية الأبعاد الفائقة التوصيل في تطوير الحوسبة الكمومية

التصنيع على نطاق النانو: بناء المستقبل ذرةً تلو الأخرى

مع تزايد سيطرة العلماء على العالم المادي، يُتوقع أن تتسم عمليات التصنيع لدينا بدقة متزايدة. فبعد أن كنا نصنع المعادن بطريقة بدائية في المسبك، أصبحنا الآن نتحكم في الذرات الفردية لتصنيع أجهزة استشعار وترانزستورات متطورة، وغيرها.

من نتائج هذا المستوى المتزايد من التحكم إمكانية تغيير خصائص المادة جذريًا. فنحن الآن على دراية بكيفية جعل طبقة رقيقة من السيليكون "تفكر" بتحويلها إلى شريحة حاسوب.

من الممكن إجراء تغييرات أخرى، أبرزها منح المواد خصائص طبيعية لا يمكن أن تتوفر لها تلقائيًا في الطبيعة. إحدى طرق تحقيق ذلك هي تغيير بنيتها على المستوى النانوي.

اكتشف علماء في معهد ماكس بلانك (ألمانيا)، ومعهد التقنيات الإلكترونية الناشئة (ألمانيا)، وجامعة فيينا (النمسا)، أنه بإمكانهم 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 "هياكل نانوية فائقة التوصيل ثلاثية الأبعاد قابلة لإعادة التكوين".

لماذا تُعدّ البنى النانوية ثلاثية الأبعاد مفتاحًا لكسر حدود التكنولوجيا ثنائية الأبعاد

تم تصميم العديد من الأنظمة النانوية على شكل صفائح ثنائية الأبعاد بسيطة، مما يسمح للعلماء بالتحكم بها بدقة.

ومع ذلك، فإن التوسع إلى ثلاثة أبعاد يوفر فرصة للتغلب على القيود الأساسية وتحقيق وظائف جديدة.

على سبيل المثال، أدت القيود المفروضة على تصغير أشباه الموصلات إلى عدم التزام الأجهزة ثنائية الأبعاد بقانون مور. وبدلًا من ذلك، انتقل القطاع إلى شرائح CMOS ثلاثية الأبعاد لزيادة كثافة الأجهزة وإمكانية الاتصال البيني.

وعلى نحو مماثل، في مجال البصريات، توفر المواد فوق المادية ثلاثية الأبعاد سيطرة جديدة على خصائص الضوء، مثل الاستقطاب عريض النطاق أو مؤشرات الانكسار السلبية، ولكل منها تطبيقاتها المحتملة الواسعة.

والشيء نفسه ينطبق الآن على الموصلات والموصلات الفائقة، مع بناء عملية تعمل مثل الطابعة النانوية ثلاثية الأبعاد، وبناء الهياكل ليس على سطح مستو ولكن بتقنية ثلاثية الأبعاد.

التأثيرات الكمومية في الهياكل الفائقة التوصيل ثلاثية الأبعاد

لقد تنبأت نظريات فيزياء الجسيمات الكمومية بالفعل بأن الهياكل ثلاثية الأبعاد ستتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الهياكل ثنائية الأبعاد. وينطبق هذا بشكل خاص على الموصلات الفائقة، وهي مواد تفتقر إلى أي مقاومة كهربائية، حيث كان من المتوقع أن تسمح الهياكل ثلاثية الأبعاد بالتحكم المحلي في الدوامات فائقة التوصيل.

وقد حصل اكتشاف هذا النوع من "الدوامة المغناطيسية" على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2003، وكان ذلك بمثابة تقدم كبير في تفسير كيفية عمل الموصلية الفائقة.

المصدر جائزة نوبل

يجب أن يؤدي البناء ثلاثي الأبعاد للمواد الفائقة التوصيل أيضًا إلى إنشاء ظواهر كمية جديدة تمامًا (مثل "الحالة العقدية في شريط موبيوس الفائق التوصيل") والتي يمكن للباحثين استخدامها بعد ذلك لتطوير التطبيقات العملية.

كيف بنى العلماء طابعة نانوية ثلاثية الأبعاد للموصلات الفائقة

استخدم الباحثون تقنية الترسيب المستحث بحزمة الإلكترونات المركزة ثلاثية الأبعاد (3D FEBID)، وهي طريقة معروفة لبناء هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد لم تستخدم في المواد الفائقة الموصلية حتى الآن.

بنوا هيكلًا هرميًا بأربعة خيوط نانوية تدعم بعضها البعض. وهو مصنوع من كربيد التنغستن فائق التوصيل (WC).

المصدر مادة الوظيفة المتقدمة

ثم أكدوا أن البنية تظهر انتقالًا حادًا للموصلية الفائقة عند حوالي 5 درجات كلفن (-268 درجة مئوية / -450 درجة فهرنهايت).

ثم قاموا بقياس قدرة الدوامات على الانتشار على طول الهيكل في حركة ثلاثية الأبعاد، مما يؤدي إلى نقل المعلومات والجهد على مدى بعيد. كما سيطر الهيكل ثلاثي الأبعاد على شكل الدوامات.

المصدر مادة الوظيفة المتقدمة

الموصلية الفائقة القابلة لإعادة التكوين باستخدام المجالات المغناطيسية

من خلال تغيير اتجاه المجال المغناطيسي، يمكن تشغيل وإيقاف الخاصية الفائقة التوصيل حسب الرغبة، وذلك بسبب شكل الدوامات.

المصدر مادة الوظيفة المتقدمة

سمح هذا بإنشاء بنية ثلاثية الأبعاد فائقة التوصيل (SC) كاملة، أو نصف فائقة التوصيل فقط، أو كاملة مع مقاومة كهربائية طبيعية (N).

المصدر مادة الوظيفة المتقدمة

تصبح إمكانية إنشاء حالات مختلفة من الموصلية الفائقة داخل الهيكل أكثر إثارة للاهتمام حيث يمكن بناء هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد على التوالي وربطها معًا باستخدام نظام يسمى روابط جوزيفسون الضعيفة.

"لقد وجدنا أنه من الممكن تشغيل وإيقاف الحالة الفائقة الموصلية في أجزاء مختلفة من البنية النانوية ثلاثية الأبعاد، وذلك ببساطة عن طريق تدوير البنية في مجال مغناطيسي.

بهذه الطريقة، تمكنا من تحقيق جهاز موصل فائق "قابل لإعادة التكوين"!

كلير دونيلي - ليز مايتنر قائدة المجموعة في MPI-CPfS

وهذا يفتح الطريق أمام بناء مجموعات معقدة من الموصلات الفائقة للمكونات الفرعية الفردية، مثل الجسور المعلقة النانوية.

المصدر مادة الوظيفة المتقدمة

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

ورغم أن هذا الإنجاز مثير للإعجاب إلى حد كبير، فإنه قد يبدو في البداية غير واضح إلى حد ما كيف يمكن استخدام هذه البراعة في الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق النانو للمواد الفائقة الموصلية في التطبيقات في العالم الحقيقي.

أولاً، من المعروف أن وصلات جوزيفسون الضعيفة يمكن استخدامها لإنشاء مستشعرات مجال مغناطيسي فائقة الحساسية. في السابق، كان من الضروري دمج هذا النظام في تصميم الغشاء الرقيق ثنائي الأبعاد وتحديده مسبقًا. مع هذا النظام القابل لإعادة التشكيل، تتميز البنية ثلاثية الأبعاد بميزة جوهرية تتمثل في إمكانية استخدام قياسات أكثر دقة وقابلية للتحكم.

من المجالات الأخرى المستفيدة الحوسبة القائمة على الموصلات الفائقة، بما في ذلك الحوسبة العصبية الموفرة للطاقة والحوسبة الكمومية. ومن المتوقع أن يُسهم الترابط والتعقيد المتزايدان اللذان توفرهما الهندسة ثلاثية الأبعاد في تطوير رقائق حوسبة أكثر تعقيدًا وقوةً لهذه الأنظمة.

في نهاية المطاف، قد يُشكّل هذا أساسَ الوصلات ثلاثية الأبعاد متعددة الأطراف، ومصفوفات مترابطة من الروابط الضعيفة القابلة لإعادة التشكيل. يُفترض أن تُحدث هذه العناصر مجتمعةً تغييرًا جذريًا في كيفية صنع الحاسوب الكمومي، متجاوزةً بذلك الأنظمة ثنائية الأبعاد الحالية. كما يُفترض أن تكون أكثر مرونةً، إذ يُمكن إعادة تشكيل أجهزتها نفسها.

الاستثمار في حلول الموصلية الفائقة

شركة أمريكان سوبركونديكتور كوربوريشن: الاستثمار في الموصلية الفائقة في العالم الحقيقي

AMSC هي شركة تقدم حلول الطاقة لشبكات الطاقة والسفن وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كان النظام يحتاج إلى طاقة أكبر أو ضخمًا، كلما كان يتطلب تقنية التوصيل الفائق لتجنب ارتفاع درجة الحرارة.

على الرغم من اسمها، لا توفر ASMC أنظمة الموصلات الفائقة فحسب، بل توفر أيضًا، على سبيل المثال، مجموعات نقل الحركة لتوربينات الرياح.

وتستفيد الشركة من محركات نمو متعددة، بما في ذلك اتجاه التحول إلى الكهرباء والرقمنة (بما في ذلك مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي)، وإعادة نقل قدرات التصنيع الأمريكية إلى الداخل، والحاجة إلى تحديث القوات البحرية في دول المحيط الأنجلوسكسوني استجابة للمخاطر الجيوسياسية المتزايدة.

المصدر شركة الموصلات الفائقة الأمريكية

وفي قطاع إمدادات الطاقة، شهدت شركة AMSC ارتفاعًا ثابتًا في الطلبات. وكان هذا مدفوعًا بمصانع أشباه الموصلات التي تسعى إلى الحماية من تقلبات شبكة الطاقة، ومساعدة الشبكة على التعامل مع الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة، وإمدادات الطاقة والتحكم فيها في المواقع الصناعية.

المصدر شركة الموصلات الفائقة الأمريكية

تنشط AMSC بشكل رئيسي في مجال أنظمة التحكم الكهربائية (ECS) ضمن قطاع توربينات الرياح. تاريخيًا، كان قطاع أنظمة التحكم الكهربائية (ESC) قطاعًا قويًا للشركة بفضل توربينات الرياح بقدرة 2 ميجاوات، إلا أنه شهد تراجعًا تدريجيًا. تسعى AMSC إلى انتعاش السوق بفضل تصميم التوربين الجديد بقدرة 3 ميجاوات، مع التركيز بشكل خاص على السوق الهندية.

المصدر شركة الموصلات الفائقة الأمريكية

بالنسبة للسفن العسكرية، توفر ASMC نظام "AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure"، وهو نظام يُغيّر البصمة المغناطيسية للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. وقد بيع هذا النظام للبحريات الأمريكية والكندية والبريطانية، وبلغت قيمة طلباته حتى الآن 75 مليون دولار أمريكي.

بشكل عام، تعد ASMC الأفضل في الاستفادة من تكنولوجيا الموصلات الفائقة في التطبيقات المتخصصة التي أصبحت قابلة للتطبيق اليوم، بينما من المرجح أن تكون جاهزة لنشر المزيد من التطورات في المستقبل.

ويجب على المستثمرين أيضًا ملاحظة أن السهم شهد تقلبات شديدة في الماضي، وينبغي عليهم حساب المخاطر وفقًا لذلك.

الأحدث شركة الموصلات الفائقة الأمريكية (AMSC) أخبار وتطورات الأسهم

الدراسات المشار إليها:

^{1. جيانغ، إس، شو، واي، وانغ، آر. وآخرون.تمكن الهندسة الطورية المعقدة هيكليًا من إنتاج سبائك الألومنيوم المقاومة للهيدروجين. الطبيعة641، 358 – 364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}