استخدام الليزر لتغليد المواد غير المغناطيسية قد يُحوِّل الحواسيب الحديثة

الحوسبة الكمومية تمتلك إمكانات هائلة. يمكنها أن تُحوِّل الصناعات بالكامل وتغيّر طريقة فهمنا للكون. من خلال دمج مبادئ الميكانيكا الكمومية مع علوم الحاسوب، تسمح الحوسبة الكمومية بحل المشكلات المعقدة بسهولة عبر معالجة كميات هائلة من البيانات بشكل متوازي واستكشاف حلول متعددة.

بهذه الطريقة، يمكن لأجهزة الحوسبة الكمومية المساعدة في اكتشاف الأدوية، نمذجة المناخ، تعزيز قدرات الذكاء الاصطناعي، وحل مشكلات التحسين. كما أن لديها إمكانات في الأمن السيبراني عبر كسر طرق التشفير الحالية وإنشاء أنظمة تشفير كمومية لا يمكن اختراقها.

على مر السنين، أحرزنا تقدماً كبيراً في الحوسبة الكمومية، بما في ذلك سيادة الكم، رموز تصحيح الأخطاء، وأجهزة الحوسبة الكمومية السحابية. ومع ذلك، كان هذا التقدم محدوداً إلى حد كبير في درجات الحرارة الباردة جداً في المختبرات، وقد يوشك أن يتغير ذلك.

الآن، نجح الباحثون في المعهد الشمالي للفيزياء النظرية (NORDITA)، وهو تعاون بين الدول الخمس الإسكندنافية، جامعة ستوكهولم وجامعة كا فوسكاري فينيس، في إظهار السلوك الكمومي في درجة حرارة الغرفة باستخدام ضوء الليزر. للمرة الأولى، تمكن ضوء الليزر من جعل المواد غير المغناطيسية مغناطيسية.

هذا أمر في غاية الأهمية لأن المغناطيسية تلعب دوراً رئيسياً في طريقة عمل الحاسوب. تستخدم ذاكرة الحاسوب مغناطيسات كهربائية صغيرة الحجم تُمغنَس بالجهد لتفعيل حالتي الثنائي “تشغيل” أو “إيقاف”. الطريقة التي تتفاعل بها الذرات والإلكترونات مع المجالات المغناطيسية تسمح للأجهزة الإلكترونية بقراءة وكتابة ومعالجة البيانات.

في هذه الدراسة الجديدة، أظهر الباحثون كيف يمكن لتعرض مادة غير مغناطيسية للإشعاع الليزري عالي التردد أن ينتج تأثيراً مغناطيسياً في درجة حرارة الغرفة.

يملك هذا الاختراق الجديد القدرة على تمهيد الطريق لحواسيب أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وسرعة، ولتحويل المعلومات وتخزين البيانات. إنه يُظهر وعداً هائلاً في إحداث ثورة في الإلكترونيات، خصوصاً تلك الأجهزة المبنية باستخدام التكنولوجيا الكمومية، التي عادةً ما تعمل عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية).

تحويل المواد غير المغناطيسية إلى مغناطيسية

في الدراسة الأخيرة، استخدم الباحثون سترونتيوم تيتانات (SrTiO₃)، وهو أكسيد للسترونتيوم (Sr) عالي التفاعل الكيميائي والتيتانيوم (Ti) الخفيف الوزن. عند درجة حرارة صالحة للإنسان، يمتلك بنية بيروفسكايت ويُعرف بثابته العازلة العالية.

تم تعريض هذه المادة لضوء من ليزر عالي التردد، مما حرك الذرات وجعلها متحركة. أدى ذلك إلى توليد تيارات كهربائية داخل سترونتيوم تيتانات، مما جعله مغناطيسياً.

عند الحديث عن حداثة طريقتهم، صرح المؤلف الرئيسي للدراسة، ستيفانو بونتي، فيزيائي في جامعة ستوكهولم، وجامعة كا فوسكاري، بأنها:

“في مفهوم السماح للضوء بتحريك الذرات والإلكترونات في هذه المادة بحركة دائرية، لتوليد تيارات تجعلها مغناطيسية كالملف المغناطيسي للثلاجة.”

تحويل المادة غير المغناطيسية إلى مغناطيسية ليس أمراً جديداً، فقد تم التنبؤ به ودراسته مسبقاً. 

في عام 2015، نشرت مجلة Nature بحثاً اكتشف أن النحاس والمنغنيز، وهما معدنان غير مغناطيسيين شائعين، يمكن تحويلهما إلى مغناطيسات من خلال دمج أفلام رقيقة من المعدنين مع جزيئات عضوية قائمة على الكربون. على الرغم من أن النتائج تم الحصول عليها في درجة حرارة الغرفة، إلا أن المغناطيسية كانت ضعيفة وتلاشت بعد بضعة أيام.

استند هذا التجربة إلى نظرية من ثلاثينيات القرن الماضي وضعها الفيزيائي النظري إدموند ستونر من جامعة ليد، الذي درس ما يجعل من الممكن أن يكون العنصر مغناطيسياً.

في عام 2020، تمكن فريق بحثي أيضًا من تعديل مواد أكسيد غير مغناطيسية وجعلها مغناطيسية من خلال نمو طبقة بطبقة محكم لكل مادة. في نفس العام، استخدم فريق آخر من الباحثين الكهرباء لتفعيل المغناطيسية في البيريت غير المغناطيسي أو كبريتيد الحديد. التقنية المستخدمة في هذه الدراسة كانت التحكم بالكهارل electrolyte gating، والتي تضمنت وضع البيريت على اتصال مع محلول كهربي (سائل أيوني) ثم تطبيق فولت واحد من الكهرباء الذي حرك الجزيئات الموجبة الشحنة وأنتج قوة مغناطيسية قابلة للقياس. في هذه الحالة، إيقاف الفولتية أدى إلى إغلاق المغناطيسية أيضاً.

استخدام الضوء لتغيير خصائص المادة قد حظي أيضاً باهتمام علمي كبير منذ فترة. 

الأمر هو أن المغناطيسات والمجال المغناطيسي عادةً ما تُولد عبر التيارات المتدفقة. في عام 2019، أضاء الفيزيائيون أقراصًا معدنية غير مغناطيسية بضوء مستقطب خطيًا، مما أدى إلى تدفق التيارات الكهربائية وظهور المغناطيسية تلقائيًا في القرص. من حيث المبدأ، يمكن لهذه الطريقة تحويل المعادن غير الحديدية إلى مغناطيسات “عند الطلب” باستخدام ضوء الليزر.

استخدام الضوء لتدوير الذرات وتوليد التيار

المغنطة التي تُسببها الدوران على نطاق ماكروسكوبي تُعرف بتأثير بارنيت. تحت هذا التأثير، يتم تدوير المادة بالكامل لتوجيه الدورانات الزاوية الفطرية لإلكترونات المادة المغناطيسية غير المرتبة لتوليد مجال مغناطيسي صافي داخلها.

في التجربة الجديدة، تم تحقيق دوران على المستوى الذري في مواد غير مغناطيسية بالاعتماد على نبضات ليزر مستقطبة دائريًا. قامت النبضات بتدوير الذرات في المادة لتوليد فونونات كيرالية جماعية، وهي اهتزازات مستقطبة دائريًا تتناغم مع تردد الليزر.

لهذا، تم تطوير مصدر ضوء جديد في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR)، وهو مستقطب دائريًا، أي أنه يمتلك شكل “مفتاح لولبي”. عندما يدخل ضوء الليزر بهذا النوع من الاستقطاب مادةً، يتم نقل الاستقطاب الدائري إلى ذراتها عبر تدويرها وإنتاج تيارات ذرية. إذا كان تردد الضوء يطابق تردد اهتزاز الذرة، يتعزز التأثير، وبالتالي ينتج مغنطة كبيرة.

إذن، التجربة التي نفذها الفريق الدولي بقيادة بونتي خضعت مادة سترونتيوم تيتانات الكمومية (SrTiO3) لأشعة ليزر شديدة ولكن قصيرة المدة بطول موجي واستقطاب خاص لإحداث المغنطة. تم إطلاق نبضات بطول 800 نانومتر، وبمدة بيكوثانية، من ليزر أشعة تحت حمراء بعيدة بطول 100 ميكرومتر.

على وجه الخصوص، تم قياس دوران كير للنبضات المستكشفة. استخدم الفريق أيضًا درجات حرارة متنوعة تتراوح بين 160 إلى 360 كلفن. أظهر ذلك أن أقصى استجابة تحققت عند 280 كلفن (7°C). في هذه النقطة، كان المجال الكهربائي للنبضات في نطاق التيراهيرتز متناغمًا مع وضع الفونون البصري الأول للمادة.

في هذه الدراسة الأخيرة المنشورة في مجلة Nature، أشار المؤلف الرئيسي بونتي إلى أنها المرة الأولى التي تمكنوا فيها من تحفيز ورؤية كيف تصبح المادة مغناطيسية بوضوح في درجة حرارة الغرفة.

سمحت هذه المقاربة للفريق أيضًا “بصنع مواد مغناطيسية من العديد من العوازل، بينما تُصنع المغناطيسات عادةً من المعادن”، أضاف.

في الوقت نفسه، تم قياس درجة المغنطة التي تم تحفيزها عبر تقنية الليزر باستخدام تأثير معروف حيث ينعكس الضوء عن المادة بشكل مختلف اعتمادًا على مغنطيتها.

في تجربتهم، أظهرت القياسات أن المادة أصبحت مغناطيسية. ومع ذلك، كان حجم المغنطة المحفزة بناءً على الأساليب النظرية المعروفة لحساب هذه الكمية أكبر بأربع درجات من المتوقع. عُزى هذا الفرق إلى تبسيطات مفرطة قام بها الفيزيائيون في حساباتهم.

استخدم مجموعة أخرى من الباحثين نبضات ليزر تحت حمراء مستقطبة دائريًا لإحداث تأثير مغناطيسي مؤقت في مادة غير مغناطيسية. 

قام علماء من جامعة رادبود، هولندا، بالتعاون مع جامعة نيهون، اليابان، بذلك، لكن بدلاً من النبضات العريضة التقليدية، استخدموا نبضات ضيقة جدًا من ليزر FELIX للإلكترونات الحرة، مما مكنهم من استهداف اهتزازات شبكية معينة عند الرنين بشكل أفضل. استخدموا بعد ذلك المغنطة التي تم إنشاؤها لتبديل مغنطة سبيكة مغناطيسية.

وفقًا لهؤلاء الباحثين، يمكن استخدام رنين الفونونات كطريقة جديدة وسريعة لكتابة البيانات على وسائط مغناطيسية. تغيير اتجاه دوران الضوء المستقطب دائريًا أتاح للفريق أيضًا تغيير اتجاه المغنطة.

الاستخدام المتزايد لضوء الليزر

استخدام ضوء الليزر يتزايد بسرعة. فقط هذا الأسبوع، اكتشف العلماء اكتشافًا جديدًا: يمكن لشعاع ليزر مركز أن يغيّر الحالة المغناطيسية لمادة صلبة، مظهرًا إمكانات هائلة في ذاكرة الحوسبة فائقة السرعة.

لهذا، أعد العلماء معادلة “عنصرية” جديدة تصف العلاقة بين تردد وسعة المجال المغناطيسي للضوء وخصائص امتصاص الطاقة لمادة مغناطيسية. وفقًا لأمير كابوا، أستاذ الفيزياء في الجامعة العبرية في القدس:

“إنه يتيح لنا إعادة النظر تمامًا في التسجيل المغناطيسي البصري وتوجيهنا نحو جهاز تخزين مغناطيسي بصري كثيف، فعال في الطاقة، وفعّال من حيث التكلفة، والذي لا وجود له حتى الآن.”

من المتوقع أن تؤدي هذه التقنية إلى مكونات MRAM أسرع وأكثر كفاءة في المستقبل. 

حجم سوق تكنولوجيا الليزر العالمي من المتوقع أن ينمو إلى 29.5 مليار دولار قبل انتهاء العقد، مقارنةً بالتقييم الحالي البالغ 20 مليار دولار. هذه الأرقام تعود إلى الإمكانات الواسعة لليزر في مختلف الصناعات.

الليزر هو جهاز بصري ينتج شعاعًا من الضوء عن طريق تحفيز انبعاث الإشعاع. بفضل خصائص هذا الضوء الفريدة، مثل الشدة العالية، التماسك، أحادية اللون، والاتجاهية، تُستخدم الليزرات على نطاق واسع في الطب، الاتصالات, العلوم, الجيش, وغيرها. نتيجة لذلك, شهد مجال الليزر العديد من الاختراعات والتجارب.

مؤخرًا، العلماء في رومانيا أنشأوا أقوى انبعاث ليزر في العالم، وهو يعادل عُشر طاقة الشمس التي تصل إلى الأرض. تم تركيب هذا الليزر في مركز بالقرب من بوخارست، وتديره الشركة الفرنسية ثالس، ويُقال إن خرج الليزر يبلغ 10 بيتاواط (10 كوادريليون وات). تم تحقيق الذروة فقط لفترة قصيرة للغاية، حوالي 25 فيمتوثانية، وعلى عرض يبلغ ثلاثة ميكرومترات فقط.

يأمل العلماء أن يؤدي الليزر إلى تقدمات ثورية عبر قطاعات تتراوح من الصحة إلى الفضاء. يمكن تطبيق هذا الاختراع لمعالجة النفايات النووية وتنظيف حطام الفضاء.

في بحث حديث آخر, حقق فيزيائيون من معهد ريكين نواقل ضوئية ليزرية قصيرة جدًا بقدرة قصوى تبلغ 6 تريليون وات. هذا يعادل الطاقة التي تنتجها 6,000 محطة طاقة نووية. يهدف هذا الإنجاز إلى تطوير ليزرات أتوثانية تمكن من دراسة الإلكترونات.

في العام الماضي، مُنِح كل من آن لويلييه, بيير أغوستيني, وفيرينك كراوز جائزة نوبل في الفيزياء عن أبحاثهم في نبضات الضوء الأتوثانية (واحد كوينتليون من الثانية).

يمكن لهذه النبضات الليزرية الفائقة القصر أن تساعد في إضاءة عمليات سريعة للغاية، مما يوفّر للعلماء وسيلة قوية لالتقاطها وتحليلها.

“من خلال إتاحة إمكانية التقاط حركة الإلكترونات، قدمت ليزرات الأتوثانية إسهامًا كبيرًا في العلوم الأساسية.”

– إيجى تاكاهشي من مركز ريكين للضوء المتقدم

من المتوقع أن تُستخدم لتشخيص الحالات الطبية، ومراقبة الخلايا البيولوجية، وتطوير مواد جديدة.
انقر هنا لتعرف كيف سيلعب الليزر دورًا محوريًا في العقود القادمة.

الإمكانات المستقبلية للمغنطة الناجمة عن الليزر

بتمويل من منحة ERC Synergy و من مؤسسة كنووت وأليس والينبرغ, أشارت الدراسة التي حولت المواد غير المغناطيسية إلى مغناطيسية في درجة حرارة الغرفة إلى أن ترتيب المادة الجماعي في الفيزياء هو أحد أكثر الظواهر الأساسية والشيقة, وقد تم تقديم مفهوم المتعددية الديناميكية لوصف ظهور المغنطة.

“بعبارات بسيطة, الحركة الدائرية المتماسكة للأيونات في البلورة تُحدث لحظة مغناطيسية على محور الدوران”, جاء في البيان.

بفضل هذه الآلية, تمكن الفريق من إظهار المغنطة في البلورة الباراكهربائية النموذجية SrTiO3. وقد تم تكرار هذه النتائج بالفعل في عدة مختبرات أخرى.

مع ذلك, استمرت مغنطة المادة لمدة تقارب أحد تريليون من الثانية فقط. وهذا لم يكن كافيًا لتطبيقها في ذاكرة الحاسوب.

وبهذا القول, يُعد هذا نقطة انطلاق ممتازة حيث تمكن العلماء أخيرًا من تحويل النظرية إلى تطبيق عملي. وهذا بالتأكيد يحمل تطبيقات تقنية مهمة ستتحقق مع مرور الوقت ومع المزيد من الأبحاث.

تُظهر نتائج التجربة, وفقًا للبحث, مسارًا جديدًا للتحكم في المغنطة. يمكن الاستفادة من ذلك لإنشاء مفاتيح مغناطيسية فائقة السرعة, على سبيل المثال, عبر التحكم المتماسك في اهتزازات الشبكة باستخدام الضوء.

علاوة على ذلك, رغم أن هذه الدراسة بدأت بسترونتيوم تيتانات, يمكن استكشاف مواد أكثر تعقيدًا في المستقبل قد تحتفظ بمغنطتها لفترات أطول. من هنا, الطريق الوحيد هو المضي قدمًا مع اكتشافات مثيرة ستفتح الباب لاستخدامها في أجهزة الحوسبة.

كما صرّح مؤلف الدراسة ألكسندر بالاتسكي, أستاذ الفيزياء في NORDITA: 

“يمكن استخدام ذلك لنقل المعلومات بشكل أسرع وتخزين البيانات بشكل أفضل بكثير, وللحواسيب التي تكون أسرع بشكل ملحوظ وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.”

لذا, رغم أن النتائج واعدة ويمكن أن تؤدي إلى تحسينات كبيرة في الإلكترونيات والحوسبة القائمة على المغنطة, لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من العمل.

انقر هنا لتعرف عن الحالة الحالية للحوسبة الكمومية.