الحوسبة
استخدام الليزر لتحويل المواد غير الممغنطة إلى مواد ممغنطة قد يغير الحواسيب الحديثة
تمتلك الحوسبة الكمومية إمكانيات هائلة. يمكنها تغيير الصناعات بشكل كامل وتغيير طريقة فهمنا لل宇宙. من خلال الجمع بين مبادئ الميكانيكا الكمومية مع علوم الحاسوب، تسمح الحوسبة الكمومية بحل المشكلات المعقدة بسهولة من خلال معالجة كميات كبيرة من البيانات بشكل موازٍ لاستكشاف حلول متعددة.
بهذه الطريقة، يمكن للحواسيب الكمومية المساعدة في اكتشاف الأدوية ونمذجة المناخ وتحسين قدرات الذكاء الاصطناعي وحل مشاكل التحسين. لديها أيضًا إمكانيات في مجال الأمن السيبراني من خلال كسر الأساليب التشفير الحالية وإنشاء أنظمة تشفير كمومية لا يمكن كسرها.
على مدار السنوات، قمنا بإحراز تقدم كبير في الحوسبة الكمومية، بما في ذلك التفوق الكمومي وأكواد تصحيح الأخطاء والحواسيب الكمومية السحابية. ومع ذلك، فإن هذا التقدم كان مقصورًا بشكل كبير على درجات الحرارة الباردة بشكل استثنائي في المختبرات، وهو ما قد يتغير قريبًا.
الآن، قام باحثون في معهد الشمال الأوروبي للفيزياء النظرية (NORDITA)، وهو تعاون بين الدول الخمس الشمالية وجامعة ستوكهولم وجامعة كا فوسكاري في البندقية، بتحقيق سلوك كمومي عند درجة حرارة الغرفة باستخدام ضوء الليزر. لأول مرة، كان الضوء الليزري قادرًا على جعل المواد غير الممغنطة ممغنطة.
هذا الأمر مهم للغاية لأن المغناطيسية تلعب دورًا رئيسيًا في كيفية عمل الحاسوب. تستخدم ذاكرة الحاسوب مغناطيسات صغيرة الحجم تمغنط بالجهد الكهربائي لتمكين الحالات الثنائية “مفتوح” أو “مغلق”. يسمح رد فعل الذرات والإلكترونات للمجالات المغناطيسية لأجهزة إلكترونية بقراءة وكتابة وتنفيذ البيانات.
في هذه الدراسة الجديدة، أظهر الباحثون كيف يمكن تعرض مادة غير ممغنطة إلى إشعاع ليزر عالي التردد لإنتاج تأثير مغناطيسي عند درجة حرارة الغرفة.
الانطلاقة الجديدة لهذا الاكتشاف تمهد الطريق لمزيد من الحواسيب الكفية في استهلاك الطاقة وأسرع في نقل المعلومات وتخزين البيانات. يظهر وعدًا رائعًا في ثورة الإلكترونيات، خاصة تلك الآلات التي بنيت باستخدام التكنولوجيا الكمومية، والتي تميل إلى العمل عند درجات حرارة حول الصفر المطلق (-273 درجة مئوية).
جعل المواد غير الممغنطة ممغنطة
في الدراسة الأخيرة، استخدم الباحثون تيتانات السترونتيوم (SrTiO₃)، وهو أكسيد للسترونتيوم الكيميائي المتفاعل بشدة والتيتانيوم الخفيف. عند درجة حرارة الإقامة البشرية، له بنية بيروفسكيت ويعرف بثوابتة العازلة العالية.
خضع هذا المواد لضوء من ليزر عالي التردد، مما أثار ذراته وأمكنها. هذا ولد تيارات كهربائية داخل تيتانات السترونتيوم، مما جعله مغناطيسيًا.
متحدثًا عن nouveته في طريقةهم، قال مؤلف الدراسة الرئيسي ستيفانو بونيتي، عالم فيزياء في جامعة ستوكهولم و كا فوسكاري:
“في مفهوم السماح للضوء بتحريك الذرات والإلكترونات في هذا المواد في حركة دائرية، لإنشاء تيارات تجعلها مغناطيسية مثل ثلاجة مغناطيسية.”
جعل المواد غير الممغنطة مغناطيسية ليس شيئًا جديدًا، على الرغم من ذلك. لقد تم التنبؤ به وتحقيقه من قبل.
في عام 2015، نشرت مجلة نيتشر بحثًا اكتشف أن النحاس والمنغنيز،两个 معادن غير مغناطيسية شائعة، يمكن تحويلها إلى مغناطيسات من خلال الجمع بين أفلام رقيقة من المعادن مع الجزيئات العضوية الكربونية. على الرغم من أن النتائج تم الحصول عليها عند درجة حرارة الغرفة، كانت المغناطيسية ضعيفة واختفت بعد بضعة أيام.
كان هذا التجربة dựa على نظرية من الثلاثينيات من عالم الفيزياء النظري إدموند ستونر من جامعة ليدز، الذي بحث في ما يجعل من الممكن لعنصر أن يكون مغناطيسيًا.
في عام 2020، تمكن فريق بحثي من تعديل المواد الأكسيدية غير الممغنطة وجعلها مغناطيسية من خلال نمو طبقات متعددة لكل مادة. في نفس العام، استخدم فريق آخر من الباحثين الكهرباء لتشغيل المغناطيسية في غير المغناطيسي بيرويت أو كبريتيد الحديد. استخدمت تقنية التهييج الكهربائي، والتي تتضمن وضع البيرويت في اتصال مع كهرباء (سائل أيوني) ثم تطبيق فولت واحد من الكهرباء الذي نقل جزيئات مشحونة إيجابياً وأوجد قوة مغناطيسية قابلة للقياس. في هذه الحالة، إيقاف التيار الكهربائي أوقفت المغناطيسية أيضًا.
استخدام الضوء لتعديل خصائص المادة قد حظي باهتمام علمي كبير لبعض الوقت الآن.
الشيء هو، المغناطيسات والمجالات المغناطيسية عادة ما يتم إنشاؤها بواسطة تيارات دائرية. في عام 2019، أضاء الفيزيائيون أقراص معدنية غير مغناطيسية bằng ضوء خطي متقطع، مما أدى إلى تيارات كهربائية وتحقيق المغناطيسية بشكل تلقائي في القرص. في المبدأ، يمكن لهذه الطريقة تحويل المعادن غير الحديدية إلى مغناطيسات “عند الطلب” باستخدام ضوء الليزر.
استخدام الضوء لتحريك الذرات وتوليد التيار
المغناطيسية التي تسببها الدوران على مستوى макروسكوبي تعرف باسم تأثير بارنيت. تحت تأثير هذا التأثير، يتم دوران المادة بالكامل لتحقيق التأثيرات المغناطيسية الداخلية للذرات في مادة غير منظم مغناطيسيًا لإنشاء مجال مغناطيسي صافي داخلها.
في التجربة الجديدة، تم تحقيق الدوران على مستوى الذرات في المواد غير الممغنطة بالاعتماد على نبضات ليزر دائرية متقطعة. نقلت النبضات الذرات في المادة لتوليد فونونات دائرية متقطعة، وهي اهتزازات دائرية متقطعة تتوافق مع تردد الليزر.
لذلك، تم تطوير مصدر ضوء جديد في الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR)، وهو دائري متقطع، مما يعني أنه له شكل “مفتاح البطاقة”. عندما يدخل ضوء الليزر بهذا النوع من القطبية إلى مادة، يتم نقل القطبية الدائرية إلى ذراتها من خلال دورانها وتوليد تيارات ذرية. إذا كان تردد الضوء يتوافق مع تردد اهتزاز الذرة، يتم تعزيز التأثير، ونتيجة لذلك، يتم إنتاج مغناطيسية كبيرة.
لذلك، قام الفريق الدولي بقيادة بونيتي بتجربة مادة كمومية، تيتانات السترونتيوم (SrTiO3)، مع شعاع ليزر مكثف ولكن قصير من طول موجي غريب و قطبية لتحفيز المغناطيسية. تم إطلاق نبضات الليزر بطول 800 نانومتر ومدة بيكو ثانية من ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة 100 ميكرومتر.
على وجه الخصوص، تم قياس دوران كير للنبضات الاستكشافية. استخدم الفريق أيضًا درجات حرارة متنوعة، تتراوح من 160 إلى 360 كلفن. أظهر ذلك أن أعلى استجابة تم تحقيقها عند 280 كلفن (7 درجة مئوية). في هذه النقطة، كان مجال كهربائي التيراهيرتز للنبضات متوافقًا مع وضع الفونون البصري الأول للمادة.
في هذه الدراسة الأخيرة المنشورة في نيتشر، لاحظ المؤلف الرئيسي بونيتي أنه كان أول مرة يتمكنوا من تحفيز رؤية كيف تصبح المادة مغناطيسية عند درجة حرارة الغرفة بوضوح.
هذا النهج سمح للفريق “بجعل المواد المغناطيسية من معظم العوازل، عندما يتم عادة تصنيع المغناطيسات من المعادن”، أضاف.
في غضون ذلك، تم قياس درجة المغناطيسية المستحثة بواسطة تقنية الليزر باستخدام تأثير مقبول في الذي يختلف انعكاس الضوء على مادة مختلفة اعتمادًا على مغناطيسيتها.
في تجربتهم، أظهرت القياسات أن المادة قد أصبحت مغناطيسية. ومع ذلك، كانت قيمة المغناطيسية المستحثة تقريبًا أربعة أوامر من حيث الحجم أكبر مما كان متوقعًا بناءً على الطرق النظرية المعروفة لحساب هذه الكمية. تم归ص هذا الفرق إلى تبسيطات قام بها الفيزيائيون في حساباتهم.
استخدم فريق آخر من الباحثين نبضات ليزر دائرية متقطعة لتحفيز تأثير مغناطيسي مؤقت في مادة غير مغناطيسية.
قام علماء من جامعة رادبود، هولندا، بالتعاون مع جامعة نيهون، اليابان، بذلك، ولكن بدلاً من النبضات العريضة التقليدية، استخدموا نبضات ضيقة النطاق من ليزر الفريون الحر، مما مكنهم من استهداف اهتزازات الشبكة بشكل أفضل في التوافق. كما استخدموا التمغنط الذي تم إنشاؤه لتبديل تمغنط سبيكة مغناطيسية.
وفقًا لهؤلاء الباحثين، يمكن استخدام الرنين الفونوني كطريقة جديدة وسريعة لكتابة البيانات على وسائط مغناطيسية. كما سمح تغيير اتجاه دوران الضوء الدائري بتغيير اتجاه التمغنط.
استخدام الضوء الليزري المتزايد
استخدام ضوء الليزر ينمو بسرعة. فقط هذا الأسبوع، قام علماء باكتشاف جديد: يمكن لضوء الليزر المركز تغيير حالة مادة صلبة مغناطيسيًا، مما يظهر إمكانيات كبيرة في ذاكرة الحوسبة الفائقة السرعة.
لذلك، قام العلماء بتحضير معادلة “عنصرية” جديدة تصف العلاقة بين تردد وامplitude حقل الضوء المغناطيسي وخصائص امتصاص الطاقة لمادة مغناطيسية.
وفقًا لعالم الفيزياء أمير كابوا:
“إنه يسمح لنا بإعادة النظر في التسجيل المغناطيسي البصري وتوجيه طريقنا نحو جهاز تخزين مغناطيسي بصري كثيف وفعّال في استهلاك الطاقة ومتوافق التكلفة الذي لا يوجد بعد.”
من المتوقع أن يؤدي هذا التكنولوجيا إلى مكونات MRAM أسرع وأكثر كفاءة في المستقبل.
حجم سوق تكنولوجيا الليزر العالمي dự kiến أن ينمو إلى 29.5 مليار دولار قبل نهاية العقد، من التقييم الحالي البالغ 20 مليار دولار. هذه الأرقام تعود إلى إمكانيات الليزر الواسعة في مختلف الصناعات.
الليزر هو جهاز بصري ينتج شعاعًا من الضوء من خلال تحفيز انبعاث الإشعاع. بسبب خصائص هذا الضوء الفريدة، مثل الشدة العالية والتوافق والتوحيد والاتجاهية، يستخدم الليزر على نطاق واسع في الطب والاتصالات والعلوم والعسكرية وأكثر من ذلك. ونتيجة لذلك، حدثت العديد من الاختراعات والتجارب في مجال الليزر.
最近، قام علماء في رومانيا بتطوير أقوى انبعاث ليزر في العالم، وهو عُشر قوة الشمس التي ت发出 على الأرض. تم تثبيت الليزر في مركز بالقرب من بوخارست، ويُشغل بواسطة شركة ثاليس الفرنسية، ويُreported أن الليزر يملك خرجًا يبلغ 10 بيتاواط (10 ربع تريليون واط). تم تحقيق الذروة لمدة قصيرة جدًا، حوالي 25 فمتو ثانية، وضمن عرض يبلغ ثلاثة ميكرومتر فقط.
يأمل العلماء أن يؤدي الليزر إلى تقدم ثوري في القطاعات من الصحة إلى الفضاء. يمكن تطبيق هذا الاختراع لمعالجة النفايات النووية وتنظيف الفضاء.
في بحث آخر حديث، تمكنت فيزيائيون من RIKEN من تحقيق نبضات قصيرة جدًا من ضوء الليزر الذي يملك قوة ذروة تبلغ 6 تريليون واط. هذا هو نفس القوة التي تنتجها 6000 محطة نووية. هذا الإنجاز سيساعد في تطوير ليزر الأتوسيكوند، مما يمكن العلماء من دراسة الإلكترونات.
في العام الماضي، حصل آن لويييه، بيير أغوستيني، وفرينك كراوز على جائزة نوبل في الفيزياء لبحثهم في نبضات الأتوسيكوند (واحد كوينتيليون من الثانية) من الضوء.
يمكن أن تساعد نبضات الليزر الفائقة القصيرة في إضاءة العمليات السريعة جدًا، مما يوفر للعلماء طريقة قوية لالتقاطها ودراستها.
– إيجي تاكاهاشي من مركز RIKEN للفوتونات المتقدمة
من المتوقع أن تستخدم في تشخيص الحالات الطبية ومراقبة الخلايا البيولوجية وتنمية مواد جديدة.
انقر هنا لتعلم كيف سيقوم الليزر بدور حاسم في العقود القادمة.
إمكانيات مستقبلية للمغناطيسية المستحثة بالليزر
تم تمويل الدراسة التي جعلت المواد غير الممغنطة مغناطيسية عند درجة حرارة الغرفة من قبل ERC Synergy Gran وجمعية Knut وAlice Wallenberg. وأشار إلى أن النظام الجماعي للمادة هو واحد من أكثر الظواهر الأساسية والمثيرة للاهتمام في الفيزياء، وأن التعددية الديناميكية قد تم تقديمها لوصف ظهور المغناطيسية.
“بمعنى بسيط، الحركة الدورانية المتوافقة لأيونات في البلورة تؤدي إلى مغناطيسية على طول محور الدوران”، كما هو مذكور.
بسبب هذا الآلية، تمكن الفريق من تحقيق المغناطيسية في البيرفوسكيت النموذجي SrTiO3. تم إعادة إنتاج هذه النتائج في مختبرات عديدة.
然而، تم الحفاظ على مغناطيسية المادة لمدة قصيرة جدًا، حوالي تريليون من الثانية. لم تكن كافية لتحقيق تطبيقها في ذاكرة الحاسوب.
على الرغم من ذلك، هذا هو نقطة انطلاق رائعة حيث تمكن العلماء أخيرًا من جعل النظرية تتحول إلى واقع عملي. هذا بالتأكيد له تطبيقات تقنية مهمة ستتحقق مع مرور الوقت ومع المزيد من البحث.
تظهر نتائج الدراسة، حسب البحث، طريقًا جديدًا للسيطرة على المغناطيسية. يمكن استخدامها لمفاتيح مغناطيسية سريعة جدًا، على سبيل المثال، من خلال التحكم المتوافق في اهتزازات الشبكة باستخدام الضوء.
علاوة على ذلك، بينما بدأت هذه الدراسة مع تيتانات السترونتيوم، يمكن استكشاف مواد أكثر تعقيدًا في المستقبل التي قد تكون قادرة على الحفاظ على مغناطيسيتها لمدة أطول. من هنا، الطريق الوحيد هو إلى الأمام مع المزيد من الاكتشافات المثيرة التي ستفتح الباب للاستخدام في أجهزة الحاسوب.
كما قال مؤلف الدراسة ألكسندر بالاتسكي، أستاذ الفيزياء في NORDITA:
“يمكن استخدامها لنقل المعلومات أسرع وبطاقة تخزين أفضل، ولحواسيب أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.”
لذلك، بينما الوعد المpromising ويمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في الإلكترونيات والحوسبة التي تعتمد على المغناطيسية، هناك حاجة إلى مزيد من العمل.
