قد يُحدث اختراق في مجال الهياكل النانوية المغناطيسية ثلاثية الأبعاد تحولاً جذرياً في الحوسبة الحديثة

لقد خطا العلماء خطوة نحو ابتكار أجهزة قوية تستغلمغناطيسي تم تحقيق الشحن من خلال إنشاء أول نسخة ثلاثية الأبعاد على الإطلاق لمادة تُعرف باسم الجليد الدوار.

تُعد مواد الجليد الدوارة غير عادية للغاية لأنها تحتوي على ما يسمى بالعيوب التي تتصرف كقطب منفرد للمغناطيس.

هذه المغناطيسات أحادية القطب، والمعروفة أيضًا باسم الأقطاب المغناطيسية الأحادية، لا توجد في الطبيعة؛ فعندما يتم قطع كل مادة مغناطيسية إلى قسمين، فإنها ستخلق دائمًا مغناطيسًا جديدًا بقطب شمالي وقطب جنوبي.

لعقود من الزمن، بحث العلماء على نطاق واسع عن أدلة على حدوثها بشكل طبيعيمغناطيسي الأقطاب الأحادية على أمل تجميع القوى الأساسية للطبيعة في ما يسمى بنظرية كل شيء، ووضع كل الفيزياء تحت سقف واحد.

ومع ذلك، تمكن الفيزيائيون في السنوات الأخيرة من إنتاج نسخ اصطناعية من أحادي القطب المغناطيسي من خلال إنشاء مواد جليد الدوران ثنائية الأبعاد.

حتى الآن، أثبتت هذه الهياكل بنجاح وجود قطب مغناطيسي أحادي، لكن من المستحيل الحصول على نفس الخصائص الفيزيائية عندما تقتصر المادة على مستوى واحد. في الواقع، إن الهندسة ثلاثية الأبعاد المحددة لشبكة جليد الدوران هي المفتاح لقدرتها غير العادية على إنشاء هياكل دقيقة تحاكيمغناطيسيالاحتكارات.

في دراسة جديدة نُشرت اليوم في مجلة Nature Communications، قام فريق بقيادة علماء من جامعة كارديف بإنشاء أول نسخة ثلاثية الأبعاد على الإطلاق لمادة الجليد الدوار باستخدام نوع متطور من الطباعة ثلاثية الأبعاد والمعالجة.

ويقول الفريق إن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد سمحت لهم بتخصيص هندسة الجليد الدوار الاصطناعي، مما يعني أنه يمكنهم التحكم في طريقة تشكيل الأقطاب المغناطيسية الأحادية وتحريكها في الأنظمة.

ويقولون إن القدرة على التلاعب بالمغناطيسات أحادية القطب الصغيرة في ثلاثة أبعاد يمكن أن تفتح مجموعة كاملة من التطبيقات، بدءًا من تحسين سعة تخزين الكمبيوتر وصولًا إلى إنشاء شبكات حوسبة ثلاثية الأبعاد تحاكي البنية العصبية للدماغ البشري.

"على مدى أكثر من 10 سنوات، قام العلماء بإنشاء ودراسة الجليد المغزلي الاصطناعي في بعدين. ومن خلال توسيع هذه الأنظمة إلى ثلاثة أبعاد، نحصل على تمثيل أكثر دقة لفيزياء أحادي القطب للجليد المغزلي، ونتمكن من دراسة تأثير الأسطح"، كما قال المؤلف الرئيسي الدكتور سام لاداك من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة كارديف.

"هذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها أي شخص من إنشاء نسخة ثلاثية الأبعاد دقيقة من الجليد الدوار، عن طريق التصميم، على المستوى النانوي."

تم إنشاء الجليد الدوار الاصطناعي باستخدام أحدث تقنيات التصنيع النانوي ثلاثي الأبعاد حيث تم تكديس الأسلاك النانوية الصغيرة في أربع طبقات في بنية شبكية، والتي كان قياسها الإجمالي أقل من عرض شعرة الإنسان.

ثم تم استخدام نوع خاص من المجهر يُعرف باسم مجهر القوة المغناطيسية، وهو حساس للمغناطيسية، لتصوير الشحنات المغناطيسية الموجودة على الجهاز، مما سمح للفريق بتتبع حركة المغناطيسات أحادية القطب عبر الهيكل ثلاثي الأبعاد.

وتابع الدكتور لاداك قائلاً: "عملنا مهم لأنه يوضح أنه يمكن استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد على المستوى النانوي لمحاكاة المواد التي يتم تصنيعها عادة عن طريق الكيمياء".

"في نهاية المطاف، يمكن أن يوفر هذا العمل وسيلة لإنتاج مواد مغناطيسية جديدة، حيث يتم ضبط خصائص المادة عن طريق التحكم في الهندسة ثلاثية الأبعاد لشبكة اصطناعية."

تُعدّ أجهزة التخزين المغناطيسية، مثل محركات الأقراص الصلبة وأجهزة ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية، مجالًا آخر قد يتأثر بشكل كبير بهذا الإنجاز. فبما أن الأجهزة الحالية تستخدم بُعدين فقط من الأبعاد الثلاثة المتاحة، فإن ذلك يحدّ من كمية المعلومات التي يمكن تخزينها. وبما أنه يمكن تحريك الأقطاب المغناطيسية الأحادية حول الشبكة ثلاثية الأبعاد باستخدام مجال مغناطيسي، فقد يكون من الممكن ابتكار جهاز تخزين ثلاثي الأبعاد حقيقي يعتمد على الشحنة المغناطيسية.