Switching Characteristics of Electrically Connected Stochastically Actuated Magnetic Tunnel Junction Nanopillars

في عالم الحوسبة الحديثة، ليست المعلومات مجرد بيانات مجردة؛ بل هي شيء مادي. فتماماً كما يجب أن يتحرك مفتاح الضوء فيزيائياً لتغيير الغرفة من الظلام إلى النور، يجب أن يوجد البت (bit) الحاسوبي في حالة فيزيائية واحدة أو أخرى لتمثيل الصفر أو الواحد. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على مفاتيح صلبة وقابلة للتنبؤ تنقلب فوراً وبشكل مثالي. ومع ذلك، يستكشف موجة جديدة من الأبحاث نوعاً مختلفاً من الآلات، آلة تحتضن العشوائية. فبدلاً من إجبار البت على أن يكون صفراً أو واحداً بشكل صارم، تستخدم هذه الأنظمة مفاتيح مغناطيسية دقيقة تتذبذب طبيعياً، وتوجد في حالة من الاحتمالية حيث قد تكون صفراً أو واحداً بنسبة معينة. هذا النهج، الذي يُطلق عليه غالباً الحوسبة الاحتمالية، يحاكي الطريقة التي تتعامل بها الطبيعة مع عدم اليقين، ويقدم طريقة جديدة قوية لحل المشكلات المعقدة التي تستعصي على الحواسيب التقليدية، مثل إيجاد أفضل مسار عبر متاهة من آلاف المدن أو تحليل الأعداد الضخمة. ويكمكم المفتاح لجعل هذا العمل ناجحاً في فهم كيفية التحكم في هذه التقلبات العشوائية، والأهم من ذلك، كيفية جعل هذه المفاتيح الصغيرة المرتعشة تتواصل مع بعضها البعض.

في قلب هذا البحث الجديد تكمن أجهزة مجهرية تُعرف باسم الوصلات النفقية المغناطيسية. تخيل عموداً صغيراً، يبلغ عرضه أربعين نانومتراً فقط، مكوناً من طبقات من مادة مغناطيسية. تعمل هذه الأعمدة كمفاتيح يمكن أن توجد في حالتين متميزتين: حالة مقاومة منخفضة حيث تتدفق الكهرباء بسهولة، وحالة مقاومة عالية حيث تواجه صعوبة في المرور. في النسخة المستقرة من هذه الأجهزة، يكون الاتجاه المغناطيسي ثابتاً في مكانه، ولكن عندما يطبق الباحثون نبضة جهد محددة، يمكنهم دفع المغناطيس إلى حالة من الفوضى المنضبطة. الجهاز لا ينقلب فوراً؛ بل يتأرجح، وتزيد نبضة الجهد من احتمالية انقلابه إلى الجانب الآخر. هذا ليس فشلاً في الجهاز بل هو ميزة، حيث يحول العمود إلى عملية رمي عملة معدنية فيزيائية يمكن ترجيح كفتها بالكهرباء.

وضع الباحثون في جامعة نيويورك وشركة IBM هدفاً لاستكشاف ما يحدث عندما يتم توصيل اثنين من هذه الأعمدة المغناطيسية معاً في دائرة كهربائية واحدة. في معظم التجارب السابقة، تمت دراسة هذه الأجهزة واحداً تلو الآخر، أو تمت إدارة اتصالاتها بواسطة حواسيب خارجية معقدة تحسب كيفية تفاعلها. هنا، أراد العلماء معرفة ما إذا كان مجرد فعل توصيل عمودين معاً سيؤدي إلى تأثيرهما على بعضهما البعض بشكل طبيعي. لقد قاموا بتوصيل عمودين من هذه الأعمدة ذات الأربعين نانومتراً على التوازي، بحيث يتشاركان مساراً مشتركاً للكهرباء عبر مقاومة. كان الهدف هو مراقبة ما إذا كان الانقلاب العشوائي لأحد الأعمدة سيغير احتمالات انقلاب العمود الآخر، مما يخلق علاقة بينهما دون وجود قوة مغناطيسية مباشرة تربط بينهما.

ما وجدوه كان حواراً واضحاً مدفوعاً بالدائرة بين الجهازين. فعندما طبق الباحثون نبضة جهد سالبة، بدأ العمودان يتصرفان مثل صديقين يرغبان في الاتفاق. إذا انقلب أحد العمودين من حالة المقاومة المنخفضة إلى حالة المقاومة العالية، فإن الظروف الكهربائية تتغير فوراً بالنسبة للآخر. ولأنهما يتشاركان الدائرة، يزداد الجهد عبر العمود الثاني، مما يجعل من المرجح جداً أن ينقلب هو الآخر. وكانت النتيجة أن العمودين يميلان في النهاية إلى الاستقرار في الحالة نفسها، إما كلاهما منخفض أو كلاهما مرتفع، محاكيين سلوك المغناطيسات التي تصطف مع بعضها البعض. وعلى العكس من ذلك، عندما طبق الباحثون جهداً موجباً، انقلبت الديناميكية تماماً. فإذا تحول أحد العمودين إلى حالة المقاومة المنخفضة، ينخفض الجهد عبر الآخر، مما يجعله أقل عرضة للانتقال. في هذا السيناريو، يميل العمودان إلى الاستقرار في حالتين متضادتين، أحدهما منخفض والآخر مرتفع، متصرفين مثل المغناطيسات التي تتنافر. كان هذا التحول بين "الاتفاق" و"المعارضة" يتم التحكم فيه بالكامل من خلال قطبية الجهد، مما يثبت أن التوصيلات الكهربائية نفسها يمكنها خلق علاقة قابلة للضبط بين هذين الجهازين العشوائيين.

لفهم كيفية حدوث ذلك بدقة، بنى الفريق نموذجاً حاسوبياً يعتمد على سلوك عمود واحد. لقد تعاملوا مع انقلاب كل جهاز كحدث عشوائي يتبع نمطاً يمكن التنبؤ به بمرور الوقت، بشكل يشبه التحلل الذري الإشعاعي. ومن خلال تغذية السلوك المعروف لعمود واحد بمجموعة من القواعد الكهربائية الأساسية التي تحكم كيفية انقسام الجهد بين المكونات المتصلة، استطاعوا محاكاة النظام بأكره. لم تتطلب المحاكاة أي فيزياء جديدة أو قوى خفية؛ بل قامت ببساطة بحساب كيفية تغيير المقاومة المتغيرة لأحد الأعمدة للجهد الذي يراه العمود الآخر. نجح النموذج في إعادة إنتاج النتائج التجريبية، موضحاً أن السلوك المعقد والمترابط للزوج ينبثق طبيعياً من الخصائص المستقلة البسيطة للأجزاء الفردية. وقد أكد هذا أن التفاعل لم يكن لغزاً مغناطيسياً، بل كان نتيجة مباشرة لتصميم الدائرة.

ثم ذهب الباحثون إلى أبعد من ذلك من خلال النظر فيما يحدث عندما تتعرض الأجهزة لسلسلة من نبضات الجهد بدلاً من نبضة واحدة فقط. لقد تعاملوا مع النظام كسلسلة من الخطوات، حيث تحدد نتيجة نبضة واحدة المشهد للنبضة التالية. ومن خلال تطبيق أنماط مختلفة من نبضات الجهد، تمكنوا من توجيه النظام إلى حالة مستقرة حيث تكون احتمالية العثور على العمودين في أي تركيبة محددة ثابتة ويمكن التنبؤ بها. وأظهروا أنه من خلال الاختيار الدقيق لتسلسل الجهود، يمكنهم برمجة النظام لتفضيل أي نتيجة مرغوبة، بدءاً من التفضيل القوي لتطابق العمودين، إلى التفضيل القوي لاختلافهما، أو حتى الاستقرار في مزيج متوازن. هذه القدرة على برمجة العلاقة بين الأجهزة باستخدام الإشارات الكهربائية فقط، دون تغيير الأجهزة الفيزيائية، تفتح الباب أمام إنشاء أنظمة حوسبة قابلة لإعادة التشكيل.

أخيراً، ربط الفريق هذه النتائج بإطار رياضي شهير يُستخدم لوصف كيفية تفاعل الجسيمات، والمعروف باسم نموذج "إيسينج" (Ising model). في هذا النموذج، تُمثل الجسيمات كلفات (spins) صغيرة يمكن أن تشير للأعلى أو للأسفل، وتتفاعل مع بعضها البعض من خلال قوة يمكن أن تكون جذابة أو تنافرية. وقد أظهر الباحثون أن التوصيلات الكهربائية التي بنوها يمكن رسمها مباشرة على هذا النموذج. فبنبضات الجهد التي طبقوها، استطاعوا خلق "قوة تفاعل" بين هذين العمودين المغناطيسيين، تماماً كما لو كانا مرتبطين فيزيائياً بزمبرك أو مجال مغناطيسي. ومن خلال تغيير الجهد، استطاعوا ضبط هذا التفاعل، وتحويله من جذب قوي إلى تنافر قوي. وهذا يعني أن دائرة كهربائية بسيطة يمكن أن تعمل كآلة فيزيائية تحل المشكلات من خلال إيجاد الترتيب الأكثر استقراراً لهذه اللفات المتفاعلة.

تكمن أهمية هذا العمل في بساطته وإمكانية توسيع نطاقه. فقد أظهر الباحثون أنك لست بحاجة إلى مجالات مغناطيسية معقدة أو توصيلات دقيقة لجعل هذه الأجهزة العشوائية تتفاعل؛ فالتوصيل المتوازي البسيط يكفي. ولأن هذه الأجهزة متوافقة مع عمليات التصنيع القياسية المستخدمة في صناعة الإلكترونيات، فإن هذا النهج يقدم مساراً عملياً نحو بناء شبكات أكبر من البتات الاحتمالية المتفاعلة. توفر الدراسة مخططاً واضحاً لكيفية تحويل مجموعة من المفاتيح العشوائية والمزعجة إلى نظام منسق قادر على إجراء حسابات معقدة. ومن خلال إثبات أن التفاعلات التي تتوسطها الدوارات يمكن أن تولد روابط فعالة وقابلة للضبط، يضع هذا العمل أساساً جديداً لبناء آلات تسخر العشوائية لحل المشكلات التي تعد حالياً صعبة للغاية بالنسبة للحواسيب التقليدية.