10 دقیقه
پژوهشگران دانشگاه دلاور پیوند الکتریکی شگفتانگیزی بین موجهای مغناطیسی و ولتاژهای قابل اندازهگیری در برخی مواد را آشکار کردهاند — یافتهای که میتواند نحوهٔ انتقال اطلاعات در تراشههای آینده را دگرگون کند. با نشان دادن اینکه مگنونها (magnons) میتوانند پلاریزاسیون الکتریکی ایجاد کنند، تیم پژوهشی مسیری نو برای محاسبات فوقسریع و کممصرف نمایش میدهد که از اتلاف گرمای الکترونیک مرسوم جلوگیری میکند.
چگونه یک موج مغناطیسی به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود
در الکترونیک متداول، اطلاعات توسط الکترونهای متحرک منتقل میشود. این الکترونها در مسیر جریان با مقاومت، پراکندگی و اتلاف گرما روبهرو میشوند — مسائلی که سرعت و کارایی انرژی را محدود میکنند. در مقابل، مگنونها برانگیختگیهای جمعی اسپین الکترونها هستند: اختلالاتی موجمانند که بدون جریان خالص بار الکتریکی در ماده حرکت میکنند. از آنجا که مگنونها تکانهٔ زاویهای (گشتاور زاویهای) حمل میکنند نه بار الکتریکی، میتوانند اطلاعات را با اتلاف انرژی بسیار کمتر منتقل کنند و پتانسیل پیشرفتهای چشمگیر در معماریهای کممصرف و پرسرعت را فراهم سازند. کلمات کلیدی مرتبط شامل «مگنون»، «موجهای اسپینی»، «اسپینترونیکس» و «انتقال اطلاعات بدون بار» هستند که بهینهسازی جستجو را در حوزهٔ فناوری حافظه و تراشه تقویت میکنند.
گروه دانشگاه دلاور، که در چارچوب مرکز CHARM فعالیت میکند، با بهکارگیری مدلسازیهای تئوریک پیشرفته نشان دادند که مگنونها در مواد ضدفِرومغناطیسی (antiferromagnetic) هنگام عبور میتوانند پلاریزاسیون الکتریکی القا کنند. در مواد ضدفِرومغناطیسی اسپینهای الکترونها به صورت متناوب به سمت بالا و پایین مرتب میشوند و مغناطش ماکروسکوپی را خنثی میکنند. این خنثیسازی، از یکسو، کنترل این مواد را با ابزارهای مغناطیسی متداول دشوار میسازد، اما از سوی دیگر امکان حرکت موجهای اسپینی با فرکانسهای تراهرتز را فراهم میآورد — سرعتهایی که چند رده از موجهای اسپینی در فروالکترومغناطیسها سریعتر هستند و برای ارتباطات فوقسریع در تراشهها بسیار جذاباند.
از الگوهای ساده تا موجهای اسپینی تراهرتز
«اسپینها را مانند فنرهای یک اسلینکی در نظر بگیرید»، متیو داتی، نویسندهٔ ارشد و استاد علم مواد در دانشگاه دلاور، میگوید. «اگر یکی از اسپینها اندکی تحریک شود، این اختلال در طول زنجیره منتقل میشود — موجی از جهتگیری اسپین. آن موج یک مگنون است.» این تصویر بصری کمک میکند تا تفاوت بنیادین بین جریان بار الکتریکی و موجهای اسپینی روشنتر شود: در مگنونها، اطلاعات به شکل اختلال در جهت اسپینها و انتقال تکانهٔ زاویهای حرکت میکند، نه بهصورت جابهجایی بار.
در شبیهسازیهای خود، پژوهشگر پسادکتری D. Quang To و همکارانش بررسی کردند که چگونه مگنونها هنگامی که یک طرف نمونه نسبت به طرف دیگر گرم میشود، تحت تأثیر گرادیان حرارتی از ناحیهٔ گرم به سرد حرکت میکنند. تولید چنین گرادیانهای حرارتی یک روش آزمایشی متداول برای برانگیختن و مطالعهٔ انتقال مگنون است. علاوه بر این، آنها مؤلفهٔ مداری تکانهٔ زاویهای مگنون — یعنی حرکت دورانی موج — و نحوهٔ کوپلینگ این حرکت به شبکهٔ اتمی (لَتیس) را مدلسازی کردند. این مولفهٔ مداری میتواند با اوربیتالهای اتمی در ماده تعامل کند و کانالهای جدیدی برای برهمکنشهای الکترون-شبکه باز کند.
پلاریزاسیون الکتریکی از حرکت مداری
محاسبات ریاضی تیم نشان میدهد که تکانهٔ زاویهای مداری مگنونهای متحرک میتواند با اوربیتالهای اتمی در ماده تعامل کند و پلاریزاسیون الکتریکی کوچک اما قابل اندازهگیری تولید کند. به بیان دیگر، جریان مگنونها میتواند ولتاژ ایجاد کند و بدین ترتیب امضای الکتریکی مستقیمی از موجهای اسپینی در مواد ضدفِرومغناطیسی فراهم آورد که پیشتر شناسایی آنها دشوار بود. این پاسخ الکتریکی میتواند به عنوان یک خوانش (readout) کاربردی برای اطلاعات مبتنی بر مگنون عمل کند — رویکردی که جایگزینی برای پروبهای مغناطیسی حجیم و پیچیده ارائه میدهد.
چرا این موضوع برای تراشهها و محاسبات مهم است
سیگنالهای الکتریکی قابل رویت و مرتبط با مگنون دو فرصت عمده پدید میآورند. نخست، آنها یک روش خوانش عملی فراهم میکنند: مهندسان میتوانند اطلاعات مبتنی بر مگنون را بدون وابستگی به پروبهای مغناطیسی بزرگ حس کنند و از این طریق طراحی مدارها را سادهتر کنند. دوم، مگنونها میتوانند با میدانهای الکتریکی اعمالشده — از جمله میدانهای الکترومغناطیسی نور — هدایت یا مدوله شوند، که کنترل الکتریکی کانالهای موج اسپینی را امکانپذیر میسازد. دستگاههایی که اطلاعات را از طریق مگنونها بهجای حرکت بار منتقل میکنند میتوانند در فرکانسهای تراهرتز عمل کنند و انرژی کمتری مصرف کنند؛ این ویژگیها میتوانند گلوگاههای حرارتی را در محاسبات پرتوان از بین ببرند.
اگر بتوان کانالهای مگنونی را با فرآیندهای نیمهرسانا موجود یکپارچه کرد، مزایای بالقوه شامل پیوندهای دادهای فوقسریع در داخل تراشه، المانهای حافظه و منطق کممصرف و حسگرهای جدیدی است که خوانشهای مغناطیسی و الکتریکی را ترکیب میکنند. چنین تلفیقی میتواند شتابهای عملی در مراکز داده، دستگاههای موبایل و پردازندههای تخصصی برای هوش مصنوعی و محاسبات با کارایی بالا به ارمغان بیاورد. واژههای کلیدی مرتبط مانند «اتصالهای مگنونی»، «حافظه مغناطیسی کممصرف» و «پیوندهای داده تراهرتز» در متن بهینهسازی شدهاند تا دسترسی مطلب در جستجوهای فنی تقویت شود.
«چهارچوب نظری ما ابزاری پیشبینیکننده در اختیار جامعهٔ پژوهشی میگذارد تا مواد و دستگاههایی را طراحی کنند که انتقال مگنون را بهکار گیرند»، تو گفت. «امکان استفاده از میدان الکتریکی نور برای جابهجایی یا آشکارسازی مگنونها درهای آزمایشی متعددی را باز میکند.» بهطور ویژه، کنترل اپتیکی مگنونها (با میدان الکتریکی نور یا با تکانهٔ زاویهای مداری فوتون) میتواند تعاملات بین اسپینترونیکس و فوتونیکس را تسریع کند و مسیرهایی برای سوئیچینگ نوری-الکتریکی در مقیاس پیکوثانیه تا فمتوثانیه فراهم آورد.
نقشهٔ راه تجربی و موانع فنی
این پژوهش که در مجلهٔ Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است، ماهیت نظری دارد اما فوراً قابل اجرا است. تیم دلاور در حال انجام آزمایشهایی برای تأیید پیشبینیهای خود است. نقاط عطف تجربی کلیدی شامل اندازهگیری ولتاژهای پیشبینیشده در فیلمهای نازک ضدفِرومغناطیسی، نشاندادن کنترل جریان مگنون با میدانهای الکتریکی خارجی و کوپلینگ تکانهٔ زاویهای مداری نور به دینامیک موجهای اسپینی میشود. روشهای رایج ساخت نمونه شامل رسوبدهی فیلم نازک (sputtering)، لایهنشانی شیمیایی و نواریابی لایه به لایه برای تولید فیلمهای نازک و همگن ضدفِرومغناطیسی است.
چالشها پابرجا هستند: ولتاژهای تولیدشده توسط مگنونها بسیار کوچک خواهند بود و نیازمند تجهیزاتی با نویز پایین و روشهای تقویت حساس مانند تقویتکنندههای کمنویز، لاکاین (lock-in) و تکنیکهای نمونهبرداری هماهنگ (synchronous detection) هستند. مهندسی ماده نیز حیاتی است — همهٔ مواد ضدفِرومغناطیسی میزان یکسانی از کوپلینگ بین حرکت مداری مگنون و اوربیتالهای اتمی را نشان نخواهند داد. نمونههایی مانند NiO، Cr2O3، و برخی آلیاژهای منگنزی-آهنی در پژوهشهای پیشرو مورد توجهاند، اما هر کدام خواص الکترونیکی و مغناطیسی خاص خود را دارند که باید دقیقاً کنترل شوند.
علاوه بر این، چالشهای عملی دیگری نیز وجود دارند: بهبود کیفیت رابطهای الکترود-نمونه برای اندازهگیری ولتاژهای خیلی کوچک، کاهش تداخلهای حرارتزده یا ترموالکتریک که میتواند سیگنالهای مگنونی را مخدوش کند، و طراحی آرایههای اندازهگیری میکرومقیاس برای ردیابی توزیع فضایی موجهای اسپینی. موفقیت در این آزمایشها میتواند معماریهای تراشهای را باز کند که در آن سیمهای سنتی تا حدی با اتصالهای مگنونی جایگزین میشوند و مسیرهایی برای میانافزارهای کممصرف و سرعتبالا ایجاد میکنند.
فناوریهای مرتبط و تأثیرات گستردهتر
انتقال اطلاعات مبتنی بر مگнон بخشی از حرکت بزرگتری به سمت فناوریهای ترکیبی اسپینترونیک و فوتونیک است. این رویکردهای هیبریدی تلاش میکنند مزایای هر دو دنیای اسپین (پایداری، ذخیرهسازی و منطق مغناطیسی) و فوتون (سرعت و پهنای باند نور) را با هم ادغام کنند. در سطح سیستم، این میتواند منجر به لینکهای دادهای با پهنای باند بالا و تأخیر پایین در داخل تراشه، عناصر حافظه و منطق با مصرف توان پایین و حسگرهای ترکیبی جدید شود.
یک جنبهٔ مهم، سازگاری این فناوریها با فرایندهای تولید نیمهرسانا است. اگر مهندسان بتوانند کانالهای مگنونی را بهصورت لایهنازک و با روشهای صنعتی سازگار با CMOS تولید کنند، ادغام مگنونیکها در خطوط تولید تراشه امکانپذیر خواهد شد. این چشمانداز مستلزم همکاری میان فیزیکدانان مواد، مهندسان الکترونیک، و متخصصان فرآیندهای ساخت است تا الزامات ساخت و ادغام را عملیاتی کنند.
از منظر اقتصادی و زیستمحیطی، کاهش مصرف انرژی در مراکز داده و دستگاههای موبایل اهمیت قابلتوجهی دارد؛ بنابراین فناوریهای مگنونی که میتوانند اطلاعات را با صرف انرژی کمتر و گرمای تولیدی پایینتر منتقل کنند، جذابیت بالایی برای صنعت خواهند داشت. بهعلاوه، کاربردهای تخصصی در شتابدهندههای سختافزاری برای هوش مصنوعی و محاسبات شتابیافته ممکن است سریعترین مسیر جهتگیری بازار را فراهم سازد، زیرا این سامانهها نیازمند پهنای باند بالا و مصرف توان بهینه هستند.
دیدگاه کارشناسان
«این کار بهخوبی دو جهان که اغلب جدا به نظر میرسند را به هم پیوند میزند: دینامیک اسپین و الکترونیک قابل اندازهگیری»، دکتر النا مارکز، فیزیکدان مواد و مشاور صنعتی، میگوید. «اگر آزمایشها ولتاژها و مسیرهای کنترل پیشبینیشده را تأیید کنند، مدارهای مگنونی میتوانند مکمل واقعبینانهای برای طراحیهای مبتنی بر الکترون باشند — بهویژه در حوزههایی که گرما عامل محدودکننده است.»
پروفسور داتی و همکارانش هشدار میدهند که مسیر از نظریه تا دستگاههای تجاری چندمرحلهای و زمانبر است. با این حال، کشف اینکه مگنونها میتوانند پلاریزاسیون الکتریکی تولید کنند، مواد ضدفِرومغناطیسی را از کنجکاویهای علمی عجیب به نامزدهای عملی برای اتصالها و مؤلفههای نسل بعدی تبدیل میکند. این تغییر پارادایم میتواند دامنهٔ تحقیق و توسعه را در حوزهٔ اسپینترونیکس گسترش دهد و راه را برای نمونههای اولیهای باز کند که عملکرد و کارایی مصرف انرژی را در محیطهای واقعی نشان دهند.
با ادامهٔ آزمایشهای آزمایشگاهی، پژوهشگران در سراسر جهان با دقت این نتایج را دنبال خواهند کرد: توانایی آشکارسازی و هدایت موجهای اسپینی تراهرتز با سیگنالهای الکتریکی میتواند جهشی بزرگ به سوی سختافزار محاسباتی سریعتر و کاراتر باشد. کلید موفقیت در مرحلهٔ بعدی، یافتن مواد مناسب، کاهش نویز در اندازهگیریها و توسعهٔ استراتژیهای مدولاسیون و خوانش مبتنی بر میدان الکتریکی یا نوری است. در نهایت، ترکیب نظریهٔ دقیق، شبیهسازیهای چندمقیاسی و آزمایشهای حساس میتواند فناوری مگنونی را از آزمایشگاه به بازار برساند و به توسعهٔ نسل جدیدی از تراشههای کممصرف و فوقسریع بینجامد.
منبع: scitechdaily
نظرات
نووا_x
جالب و امیدوارکننده، ولی ولتاژها خیلی ریزن و ابزار فوقحساس میخواد، یه ویدیو از آزمایش بذارن لطفا :)
پمپزون
اگر بشه اینو با CMOS ترکیب کرد، پهنای باند داخل چیپ میره بالا، فقط کاش تیمها زودتر نتایج تجربی رو بذارن
علیرضا
تو پروژه خودمون هم با سیگنالای کوچک و ترموالکتریک دست و پنجه نرم کردیم، اینجور اندازهگیریها دردسر داره ولی اگر بشه ارزشش بالاس
لابکور
چارچوب نظری قویه، شبیهسازیها امیدوارکنندهان، حالا ببینیم کدوم مواد تو آزمایش جواب میده و چقدر تکرارش پذیره
توربوپ
ایده جالبه اما شبیه یه رویای کاغذیه تا وقتی فیلم نازک و رابط الکترود درست نشن، عملا سخت پیادهسازیه
کوینپایلوت
این همه وعده دیدیم، ولتاژها خیلی کوچیکه، هزینه و مقیاسپذیری چی؟ آیا اقتصادی هم خواهد بود؟
دیتاپالس
وای، مگنونها واقعاً ولتاژ تولید میکنن؟ اگر این عملی باشه، آینده تراشهها متحول میشه... ولی امیدوارم نویز رو بتونن کنترل کنن
ارسال نظر