إنجاز علمي.. ماذا يعني تصوير الـ"سكيرميون" لصناعة الإلكترونيات؟

تمكَّن باحثون من مختبر لورانس بيركلي الأميركي (Berkeley Lab)، من التقاط صور ثلاثية الأبعاد لجسم نانوي يُعرف باسم "سكيرميون" (Skyrmion)، في خطوة تعد إنجازاً علمياً.

وقد يفتح هذا الإنجاز الباب أمام تطوير أجهزة إلكترونية جديدة متقدمة، مثل أجهزة التخزين الإلكتروني، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية، وكل ذلك مع استهلاك أقل للطاقة، مقارنة بالتقنيات الحالية.

وتؤسس نتائج البحث، المنشورة في دورية "ساينس أدفانسس" (Science Advances)، لقياسات دقيقة على المستوى النانوي لتطوير أجهزة تُعرف بـ"الإلكترونيات المغزلية"، وتبشر بنوع جديد كلياً من الأجهزة الإلكترونية.

ما هو الـ"سكيرميون"؟

الـ"سكيرميون" جسم نانوي مغناطيسي صغير للغاية، يتشكل على شكل دوامة أو "عاصفة مغناطيسية"، داخل مواد معينة.

يمكن تخيّل الـ"سكيرميون" كدوامة من المغناطيسات الصغيرة جداً، تدور في اتجاهات مختلفة، وفي وسط هذه الدوامة، تتجه المغناطيسات نحو الأعلى، ومع الابتعاد عن المركز، تبدأ المغناطيسات في الالتواء، وتغيير اتجاهها نحو الأسفل.

وما يميز الـ"سكيرميون" هو استقراره وسرعته، إذ يصعب جداً تفكيكه، أو تغيير شكله، ما يجعله مفيداً لتخزين المعلومات، بدلاً من الاعتماد على الإلكترونات، كما يحدث في الأجهزة الإلكترونية الحالية، ويمكن استخدامه لتخزين البيانات ونقلها بطريقة أكثر كفاءة وبطاقة أقل، وهو ما قد يؤدي لتطوير تقنيات إلكترونية متقدمة، مثل أجهزة تخزين البيانات، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية، بسبب خصائصه الفريدة، والموفرة للطاقة.

التأثير على صناعة الإلكترونيات

في الأجهزة الإلكترونية التقليدية، يتم نقل وتخزين المعلومات باستخدام حركة الإلكترونات وشحنتها، لكن في الإلكترونيات المغزلية، يتم استغلال أيضاً دوران الإلكترون حول نفسه، وهو خاصية مرتبطة بمجاله المغناطيسي لنقل وتخزين البيانات.

حتى الآن، كانت المعرفة النظرية حول الـ"سكيرميون" تعتمد على تصورات ثنائية الأبعاد، ولكن في العالم الواقعي، وحتى في أكثر الأجهزة الإلكترونية دقة، يجب التعامل مع الـ"سكيرميونات" كأجسام ثلاثية الأبعاد.

ولفهم خصائص الـ"سكيرميون" بشكل كامل، كان الباحثون بحاجة إلى وسيلة لرؤية التركيب الداخلي له في ثلاثة أبعاد.

لتحقيق ذلك، استخدم الباحثون تقنية تصوير مبتكرة تُدعى "التصوير الشعاعي المغناطيسي بالأشعة السينية" (Magnetic X-ray Laminography)، وهي تقنية متقدمة، تُستخدم لدراسة الخصائص المغناطيسية للمواد على المستوى النانوي، باستخدام الأشعة السينية بهدف فهم الترتيب المغناطيسي للمواد.

فهم أكثر شمولاً

وتعتمد التقنية على خصائص الأشعة السينية في اختراق المواد، وتصوير الهياكل الداخلية بدقة عالية جداً؛ فعند استخدام الأشعة السينية لدراسة المواد المغناطيسية، يتم توجيهها إلى العينة، ويتفاعل الإشعاع مع العزوم المغناطيسية في المادة.

ويُنتج هذا التفاعل اختلافات دقيقة في امتصاص، أو انحراف الأشعة السينية بناءً على اتجاه العزم المغناطيسي، وبعد عدة أشهر من تحليل بيانات التصوير، تمكّن الفريق من بناء فهم أكثر شمولاً للبنية الداخلية لـ"السكيرميون".

وأوضحت النتائج أن الـ"سكيرميونات" ليست موحدة من الداخل، حيث تختلف خصائصها المغناطيسية من طبقة إلى أخرى عند تحليلها في ثلاثة أبعاد، وهو أمر يفتح آفاقاً جديدة لتطوير أجهزة مغزلية ثلاثية الأبعاد، بمزايا، ووظائف غير متاحة في الهياكل ثنائية الأبعاد.