Magnonic Fabry-Pérot resonators as programmable phase shifters
تُثبت هذه الورقة أن رنانات فابري-بيرو الماجنونية، المكونة من غشاء YIG مقترن بشريط نانوي من CoFeB، تعمل كمزاحات طور قابلة للبرمجة قادرة على إحداث إزاحة طور قدرها يمكن التحكم فيها في الموجات المغزلية من خلال التبديل المغناطيسي، مما يوفر مكوناً واعداً منخفض الفقد لدوائر الحوسبة الموجية المغزلية القابلة لإعادة التشكيل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في السعي لجعل الحواسيب أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، ينظر العلماء إلى ما هو أبعد من تدفق الكهرباء إلى سلوك المغناطيسية نفسها. فداخل المواد المغناطيسية، يمكن لموجات ضئيلة تسمى "موجات السبين" (spin waves) أن تحمل المعلومات، تماماً مثل التموجات التي تتحرك عبر بركة ماء. وتمتلك هذه الموجات خاصيتين رئيسيتين يمكن استخدامهما لتخزين البيانات: مدى قوتها، وهو ما يُعرف بالسعة (amplitude)، وموقعها في دورة حركتها، وهو ما يُعرف بالطور (phase). وبينما يعد التحكم في قوة الموجة أمراً مباشراً نسبياً، فإن التحكم في طورها أصعب بكثير ولكنه ضروري لمهام الحوسبة المتقدمة، مثل إجراء العمليات المنطقية حيث يحدد توقيت الموجة النتيجة. ومن أجل بناء الجيل القادم من أجهزة الحوسبة، يحتاج الباحثون إلى وسيلة لضبط هذا الطور بدقة، ويفضل أن يكون ذلك عن طريق قلبه تماماً، دون فقدان قوة الإشارة أو استهلاك كميات هائلة من الطاقة.
لقد أظهر فريق من الباحثين الآن جهازاً جديداً يعمل كمفتاح قابل للبرمجة لهذه الموجات المغناطيسية. حيث صنعوا بنية ضئيلة مكونة من طبقة رقيقة من مادة مغناطيسية تسمى "غارنيت الإيتريوم والحديد"، تعلوها شريحة ضيقة من سبيكة مغناطيسية مختلفة. وعندما تمر موجة "السبين" عبر هذا الإعداد، فإنها تصطدم بمنطقة خاصة تتفاعل فيها الطبقتان المغناطيسيتان. يتسبب هذا التفاعل في تغيير الطول الموجي للموجة، مما يؤدي فعلياً إلى ضغطها في مساحة أصغر، ويخلق تجويفاً ترتد فيه الموجة ذهاباً وإياباً بين حواف الشريحة. ومن خلال تغيير اتجاه المجال المغناطيسي المطبق على الجهاز ببساطة، استطاع الباحثون تبديل المحاذاة الداخلية للمغانط. وقد غير هذا التبديل كيفية سلوك الموجة داخل التجويف، مما سمح لهم بقلب طور الموجة التي تخرج من الجانب الآخر بمقدار نصف دورة بالضبط، أو 180 درجة، مع الحفاظ على قوة الموجة كما هي تقريباً.
أُجريت التجربة في بيئة مختبرية حيث بنى الفريق عينة تتكون من فيلم بسمك 85 نانومتر من غارنيت الإيتريوم والحديد تم نموه على قاعدة بلورية، مع شريطة بسمك 30 نانومتر من سبيكة الكوبالت والحديد والبورون موضوعة فوقه. وكانت هذه الشريحة بعرض 850 نانومتر وطول 10 ميكرومتر، وهو حجم صغير بما يكفي ليتكرر آلاف المرات عبر عرض شعرة الإنسان. ولاختبار الجهاز، قاموا بتوليد موجات "السبين" في الفيلم باستخدام هوائي ميكروويف يقع على بعد 20 ميكرومتر. ثم استخدموا مجهراً متخصصاً يكتشف المجالات المغناطيسية بدقة متناهية لمراقبة كيفية تحرك الموجات عبر الشريحة وما يحدث عندما تخرج من الجانب الآخر. وقد سمح لهم المجهر برؤية الموجات في الفضاء الحقيقي، ملتقطاً كلاً من ارتفاعها وتوقيتها أثناء انتقالها.
وعندما طبق الباحثون مجالاً مغناطيسياً، لاحظوا أن الجهاز يخلق نطاقاً محدداً من الترددات حيث تواجه الموجات صعوبة في المرور، مما يخلق فجوة في الإرسال. وداخل هذه الفجوة، يعتمد سلوك الموجات كلياً على كيفية محاذاة المغانط داخل الشريطة والفيلم بالنسبة لبعضهما البعض. فإذا كانت المغانط تشير في نفس الاتجاه، تتصرف الموجات بطريقة معينة؛ وإذا كانت تشير في اتجاهات متعاكسة، تتصرف بطريقة مختلفة. ووجد الفريق أنه من خلال قلب المجال المغناطيسي، يمكنهم التنقل بين هاتين الحالتين. وفي نطاق تردد محدد حول 1.2 جيجاهرتز، تسبب هذا التبديل في إزاحة طور الموجة الخارجة من الجهاز بمقدار نصف دورة بالضبط. والأهم من ذلك، أن هذه الإزاحة حدثت دون إضعاف الموجة بشكل كبير، مما يعني أن المعلومات التي تحملها ظلت قوية بما يكفي ليتم اكتشافها واستخدامها.
وللتأكد من هذه الملاحظات، أجرى الباحثون أيضاً عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة قامت بنمذجة التفاعلات المغناطيسية على المستوى الذري. وقد طابقت هذه المحاكاة البيانات التجريبية بشكل مثالي تقريباً، حيث أظهرت أن إزاحة الطور كانت نتيجة مباشرة لتغير المحاذاة المغناطيسية داخل الشريطة الصغيرة. وكشفت الدراسة أن الجهاز يمكن أن يعمل كمزاح طور قابل للبرمجة، وهو مكون يمكن تشغيله أو إيقافه لتغيير توقيت الإشارة عند الطلب. وتعد هذه القدرة حيوية لبنى الحوسبة المستقبلية التي تعتمد على تداخل الموجات لإجراء الحسابات، حيث تسمح بإنشاء بوابات منطقية يمكن إعادة تكوينها فورياً. إن القدرة على تحقيق مثل هذه الإزاحة الدقيقة في الطور عبر مسافة تقل عن ميكرومتر واحد تشير إلى إمكانية تصغير هذه الأجهزة لتناسب دوائر معقدة وكثيفة، مما يوفر مساراً نحو أنظمة معالجة معلومات أكثر كفاءة وقوة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.