New dimensions in magnetism and superconductivity via 3D nanoprinting with focused electron and ion beams

على مدى عقود، ظل عالم الآلات المتناهية الصغر والمواد الكمومية مسطحاً إلى حد كبير. فقد أتقن العلماء فن نحت أنماط معقدة في صفائح رقيقة من المعدن أو السيليكون، لإنشاء دوائر ومستشعرات تعيش في مستوى ثنائي الأبعاد. لقد دفع هذا النهج العصر الحديث، لكنه اصطدم بحد حاد: فالصفيحة المسطحة لا يمكنها فعل الكثير. ولإطلاق العنان لسلوكيات جديدة في المواد التي توصل الكهرباء دون مقاومة أو تولد مجالات مغناطيسية، أدرك الباحثون أنهم بحاجة إلى الانتقال إلى البعد الثالث. فتماماً كما أن قطعة الورق المجعدة لها خصائص مختلفة عن الورقة المسطحة، فإن المواد التي يتم تشكيلها على هيئة منحنيات، أو حلزونات، أو أنابيب مجوفة يمكن أن تظهر سمات فيزيائية غريبة ومفيدة لا تستطيع النسخ المسطحة منها إظهارها. وكان التحدي دائماً يكمن في كيفية بناء هذه الأشكال المعقدة بمقياس صغير جداً بحيث تبدو شعرة الإنسان بجانبه كأنها كابل ضخم.

تجمع مقالة مراجعة جديدة بين الاختراقات الأخيرة في تقنية تجعل هذا البناء ثلاثي الأبعاد ممكناً أخيراً. يصف الباحثون كيف يستخدمون حزماً مركزة من الإلكترونات أو الأيونات، موجهة بواسطة برامج الكمبيوتر، لطباعة مواد وظيفية مباشرة في الهواء، طبقة تلو الأخرى. وبدلاً من نحت المادة من كتلة صلبة، تقوم هذه الطريقة ببناء الهياكل من العدم، عبر ترسيب الذرات واحدة تلو الأخرى لتشكيل حلزونات، وشرائط ملتوية، وشبكات مترابطة من المادة المغناطيسية وفائقة التوصيل. ويظهر العمل أنه من خلال التحكم في شكل هذه الهياكل الدقيقة بدقة متناهية، يمكن للعلماء الآن ضبط كيفية سلوكها، مما يفتح الباب أمام جيل جديد من الأجهزة الأكثر دمجاً وكفاءة وقدرة على أداء مهام كانت مستحيلة سابقاً.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في عملية تسمى الترسيب المستحث بحزمة الإلكترونات أو الأيونات المركزة. تخيل قلماً دقيقاً للغاية لا يستخدم الحبر، بل يرش غازاً يحتوي على الذرات اللازمة لبناء هيكل ما. عندما يصطدم حزمة من الجسيمات المشحونة بالغاز، فإنها تفكك الجزيئات، تاركة المادة المرغوبة خلفها على السطح. ومن خلال تحريك هذه الحزمة بنمط دقيق، يمكن للباحثين رسم خطوط، ومنحنيات، وحتى أنابيب مجوفة في ثلاثة أبعاد. تسلط المراجعة الضوء على أن هذه التقنية يمكنها إنشاء ميزات صغيرة بحجم بضعة نانومترات، وهو الحجم المناسب للتأثير على الفيزياء الأساسية للمواد المغناطيسية وفائقة التوصيل. عند هذا المقياس، يهم شكل الجسم بقدر ما تهم المادة نفسها؛ فالأسلاك المستقيمة تتصرف بشكل مختلف عن الأسلاك المنحنية، والأنبوب المجوف يعمل بشكل مختلف عن القضيب الصلب.

يوضح المؤلفون أنه من خلال طباعة هذه المواد في أشكال معقدة، يمكنهم إجبار الخصائص الداخلية للمادة على الاصطفاف بطرق جديدة. بالنسبة للمواد المغناطيسية، المستخدمة في كل شيء من محركات الأقراص الصلبة إلى الماسحات الطبية، فإن ثني الهيكل إلى شكل حلزوني أو حلقة يغير كيفية تدفق المجال المغناطيسي بداخله. وتفصل المراجعة كيف نجح الباحثون في طباعة الكوبالت والحديد في لولب مزدوج وشرائط ملتوية. تخلق هذه الأشكال نوعاً من الالتواء الاصطناعي في المجال المغناطيسي، مما يسمح للعلماء بالتحكم في كيفية انتقال المعلومات المغناطيسية عبر المادة. وفي بعض الحالات، يعمل انحناء الهيكل مثل إشارة مرور، حيث يوجه الموجات المغناطيسية للتحرك في اتجاه واحد دون الآخر. وقد يؤدي هذا إلى أنواع جديدة من تخزين الذاكرة أو دوائر المنطق التي تكون أكثر كثافة بكثير مما هو متاح حالياً.

كما تظهر الموصلات الفائقة، وهي المواد التي توصل الكهرباء بمقاومة صفرية، سلوكيات جديدة مذهلة عند طباعتها في ثلاثة أبعاد. تصف المراجعة كيف استخدم الباحثون هذه التقنية لبناء أسطوانات مجوفة وحلزونات مصنوعة من التنجستن والكربون والنيوبيوم والكربون. وعند تبريد هذه الأشكال إلى درجات حرارة منخفضة جداً، تصبح فائقة التوصيل. ومع ذلك، بسبب هندستها المنحنية، يُجبر تدفق الكهرباء داخلها على اتباع منحنى الجدار. يؤدي هذا إلى تأثيرات فريدة، مثل تكوين تيارات دوارة صغيرة لا توجد في السلك المسطح. ووجد الباحثون أن هذه الهياكل المنحنية يمكن أن تستضيف حالات مختلفة من التوصيل الفائق في أجزاء مختلفة من نفس الجسم، اعتماداً على كيفية تفاعل المجال المغغناطيسي مع الشكل. إن القدرة على خلط حالات مختلفة في جهاز واحد صغير هي خطوة كبيرة نحو إنشاء مستشعرات كمومية أكثر تطوراً.

أحد أكثر جوانب هذا العمل إثارة هو القدرة على ربط هذه الهياكل الصغيرة ببعضها البعض في شبكات ثلاثية الأبعاد. في الدوائر المسطحة التقليدية، يمكن للأسلاك أن تتقاطع فوق أو تحت بعضها البعض فقط، ولكن في الأبعاد الثلاثة، يمكنها أن تنسج معاً مثل السلة. تشير المراجعة إلى أن الباحثين قد طبعوا بالفعل شبكات مترابطة من الأسلاك المغناطيسية تحاكي بنية "جليد السبين" (spin ice)، وهو نوع من المواد المغناطيسية الموجودة في الطبيعة. تسمح هذه الشبكات بإنشاء أنسجة مغناطيسية معقدة مستقرة وقابلة للتحكم. وبالمثل، في الدوائر فائقة التوصيل، يسمح ربط الأسلاك في شبكة ثلاثية الأبعاد بإنشاء أنواع جديدة من الوصلات حيث يمكن للكهرباء أن تتدفق دون مقاومة بطرق لا يمكن للدوائر المسطحة تحقيقها. هذا المستوى العالي من الاتصال ضروري لبناء الجيل القادم من بنيات الحوسبة، التي تهدف إلى معالجة المعلومات بطرق تحاكي الدماغ البشري.

تتناول الورقة أيضاً الجانب العملي لهذه التكنولوجيا، مشيرة إلى أنه رغم قوة هذه التقنية، إلا أنها لا تزال في مراحلها الأولى. فالمواد المنتجة ليست نقية دائماً، إذ غالباً ما تحتوي على مزيج من المعدل المطلوب وبعض الكربون من الغاز المستخدم لإنشائها. ومع ذلك، يوضح الباحثون أنه حتى مع وجود هذه الشوائب، لا تزال الهياكل تعمل كمواد مغناطيسية أو فائقة التوصيل. كما يناقشون تحديات طباعة هذه الأشكال بسرعة وبشكل قابل للتكرار، حيث إن العملية بطيئة حالياً وتتطلب معايرة دقيقة لضمان مطابقة الشكل النهائي للتصميم المحوسب. ورغم هذه العقبات، تؤكد المراجعة أن القدرة على كتابة المواد الوظيفية مباشرة في ثلاثة أبعاد هي نقطة تحول جذري؛ فهي تتيح للعلماء اختبار الأفكار حول كيفية تأثير الهندسة على الفيزياء بطريقة كانت مستحيلة سابقاً، والانتقال من التوقعات النظرية إلى أشياء حقيقية وملموسة.

وبالنظر إلى المستقبل، يقترح المؤلفون أن الخطوة التالية هي توسيع نطاق المواد التي يمكن طباعتها وتحسين نقاء الرواسب. وهم يتصورون مستقبلاً تُستخدم فيه هذه التقنية لبناء أجهزة هجينة تجمع بين الخصائص المغناطيسية وفائقة التوصيل في شكل واحد معقد. قد يؤدي هذا إلى أنواع جديدة من المستشعرات الحساسة للغاية للمجالات المغناطيسية أو أجهزة يمكنها التحكم في الحالات الكمومية للحوسبة. وتخلص المراجعة إلى أنه من خلال إتقان فن الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد، لا يقوم العلماء فقط بصنع نسخ أصغر من الأجهزة الموجودة، بل يخلقون أنواعاً جديدة تماماً من المادة التي تتحدد خصائصها بالشكل بقدر ما تتحدد بالتركيب. ويمثل هذا التحول من التصميم المسطح إلى التصميم ثلاثي الأبعاد تغييراً جوهرياً في كيفية تعاملنا مع العالم النانوي، مما يبشر بمستقبل تكون فيه هندسة الجهاز لا تقل أهمية عن المادة التي صُنع منها.