Demonstration of ultrafast coherent sub-picosecond magnon pulses

في عالم الإلكترونيات الحديثة، تنتقل المعلومات كتدفق للإلكترونات، وهي جسيمات مشحونة صغيرة تندفع عبر الأسلاك والرقائق. وبينما يشغل هذا النظام أجهزتنا، إلا أنه يمتلك حداً جوهرياً: فالحركة الإلكترونية تولد حرارة وتستهلك طاقة كبيرة. ويبحث العلماء الآن عن بديل أسرع وأكثر برودة لا يعتمد على الشحنة الكهربائية على الإطلاق. فبدلاً من تحريك الإلكترونات، يقترحون استخدام "الماجنونات" (magnons). والماجنون هو تموج في النظام المغناطيسي للمادة، وهو عب die موجة جماعية من الذرات الدوارة التي يمكنها حمل المعلومات دون التكلفة الطفيفة للطاقة الناتجة عن تحريك الشحنة. ولكي تنجح هذه الفكرة في الحوسبة عالية السرعة، يجب أن تكون هذه التموجات المغناطيسية سريعة للغاية، وقادرة على التحرك في نبضات قصيرة وحادة يمكنها العمل والإيقاف تريليونات المرات في الثانية. ومع ذلك، كان إنشاء مثل هذه النبضات القصيرة يمثل عقبة رئيسية؛ فعادةً عندما يحاول العلماء توليد هذه الموجات المغناطيسية، ينتهي بهم الأمر بإشارات طويلة وضبابية تتشتت وتفقد شكلها فوراً، مما يجعلها عديمة الفائدة للعمليات المنطقية الدقيقة وعالية السرعة.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن طريقة للتغلب على هذه المشكلة من خلال توليد نبضات مغناطيسية أقصر من تريليون جزء من الثانية، ويمكنها الانتقال لمسافة طويلة بشكل مفاجئ دون أن تفقد شكلها. وبالعمل على نوع محدد من المواد المغناطيسية المعروف باسم "العازل"، والذي لا يوصل الكهرباء، استخدم العلماء نبضة من إشعاع "التيراهيرتز" لتحفيز موجة مغناطيسية. هذه المادة، وهي شكل من أشكال أكسيد الحديد، تمتلك بنية داخلية فريدة حيث تترتب فيها الدورات المغناطيسية بطريقة تسمح بحركة خطية سريعة جداً لهذه الموجات. ومن خلال وضع طبقة رقيقة من البلاتين فوق هذه المادة المغناطيسية، استطاع الباحثون استخدام المجال الكهربائي لنبضة التيراهيرتز لخلق تدفق من "الدوران المغزلي" (spin) عند السطح الفاصل. وقد عمل هذا التدفق مثل مطرقة دقيقة، تضرب المادة المغناطيسية لتطلق نبضة واحدة متماسكة من الماجنونات.

كشفت التجربة أن هذه النبضات كانت منضبطة بشكل ملحوظ؛ فقد انتقلت عبر الطبقة المغناطيسية بسرعة ثابتة بلغت 23 نانومتر لكل بيكوثانية، محافظةً على شكلها الحاد الذي يقل عن البيكو ثانية أثناء تحركها. لاحظ الباحثون هذه النبضات وهي ترتد ذهاباً وإياباً داخل الطبقة الرقيقة، مثل كرة تتدحرج ذهاباً وإياباً في ممر، ورصدوا الموجات العائدة بدقة عالية. وما جعل هذا الاكتشاف هاماً هو أن النبضات لم تتشتت أو تصبح ضبابية أثناء انتقالها، وهو سلوك يُعرف بـ "التشتت" (dispersion)، والذي يدمر عادةً المعلومات التي تحملها الموجة. وبدلاً من ذلك، ظلت النبضات متماسكة ومتميزة، وانتقلت بشكل باليستي (ballistically) عبر مسافة 160 نانومتراً. وهذه المسافة أكبر بك far مما شوهد مع أنواع أخرى من الموجات المغناطيسية، والتي عادة ما تتلاشى بعد بضع عشرات من النانومترات فقط. ووجد الفريق أن النبضات احتفظت بشكلها وحملت "الزخم الزاوي" (angular momentum)، وهي الخاصية الفيزيائية التي تسمح لها بالتفاعل مع المادة المغناطيسية، مما أثبت أن المعلومات ظلت سليمة طوال الرحلة.

وللتأكد من أن هذه كانت بالفعل موجات منظمة ومتماسكة وليست مجرد ضوضاء حرارية عشوائية، قام الباحثون بتغيير سمك الطبقة المغناطيسية وقياس الوقت الذي استغرقته النبضات للعودة. ووجدوا علاقة خطية مباشرة: فكلما زاد سمك الطبقة، زاد الوقت الذي تستغرقه النبضة للعودة، تماماً كما هو متوقع لموجة تتحرك بسرعة ثابتة. كما اختبروا النظام في درجات حرارة مختلفة ووجدوا أن الإشارة ظلت مستقرة، مما استبعد أيضاً احتمالية أن يكون التأثير ناتجاً عن تقلبات حرارية عشوائية. ومن خلال تحليل توقيت وشكل النبضات العائدة، تمكن الفريق من رسم خريطة لكيفية تغير سرعة الموجات مع طولها الموجي، مما أكد أن المادة تدعم النوع المحدد من سلوك الموجات الخطية اللازم للحوسبة فائقة السرعة.

يؤسس هذا العمل مساراً واضحاً نحو إنشاء دوائر مغناطيسية تعمل بترددات التيراهيرتز، وهي أسرع بعدة مراتب من المعالجات الإلكترونية الحالية. إن القدرة على إطلاق وكشف هذه النبضات فائقة القصر وغير المتشتتة تشير إلى أن المادة المستخدمة في التجربة، وهي "الهيماتيت"، يمكن أن تعمل كمنصة أساسية لمعالجة المعلومات في المستقبل. كما توفر الطريقة التي طورها الباحثون وسيلة جديدة لدراسة المواد المغناطيسية، مما يسمح للعلماء بفحص سلوك الموجات المغناطيسية بسرعات هائلة ومسافات قصيرة باستخدام إعدادات مخبرية بسيطة. ومن خلال إثبات أن النبضات المغناطيسية يمكن أن تكون سريعة جداً وطويلة الأمد دون أن تفقد شكلها، تزيل هذه الدراسة عائقاً حرجاً كان يمنع طويلاً تحقيق أجهزة المنطق المغناطيسي الكاملة، مما يقرب رؤية الحوسبة فائقة السرعة والموفرة للطاقة خطوة أخرى نحو الواقع.