هل سنتمكن من نقل تيرا بايت بأقل من نانو ثانية؟

دراسة حديثة أجراها باحثون من جامعة إلينوي في Urbana-Champaign تقدم أفكارا جديدة حول الآليات الفيزيائية التي تحكم العلاقة التفاعلية بين فرق الحرارة و الدوران على المقياس النانوي، ويتناول الحدود الأساسية لسرعة دوران الإلكترون في أجهزة تخزين البيانات ومعالجة المعلومات.

الإلكترونات تحمل "شحنة" بالإضافة إلى "زخم دوران زاوي" (حاصل ضرب سرعة الإلكترون حول مركز الدوران في الكتلة).

ففي تيار شحنة نموذجي، يكون زخم الدوران الزاوي للالكترونات عشوائي لذلك لا يوجد هناك تيار دوراني (تيار ناشئ عن دوران الإلكترون)، ولكن عندما تتحرك الإلكترونات بمحاذاة جزئية من زخم الدوران الزاوي، فيطلق عليه اسم "تيار الدوران" الذي هو بدوره العنصر الرئيسي لأجهزة الدوران الالكتروني النانوية (أجهزة النقل بالدوران الالكتروني)، كما أوضح "ديفيد كاهيل" ، بروفيسور في علوم وهندسة المواد في جامعة إلينوي.

ومن المعلوم أن تيار الدوران يمكن أن يُدوّر/ يُناوب المغنطة. بعبارة أخرى، يمكن استخدام تيار الدوران لتحديد حالة" 0 "أو" 1 " في أجهزة الذاكرة المغناطيسية. ويضيف البروفيسور كاهل: "للتشغيل الفائق السرعة لمثل هذه الأجهزة النانوية، يكون مطلوب للغاية توليد تيار الدوران بواحدة البيكو ثانية -أي واحد من تريليون ثانية- حيث إن تحقيق هذا المقياس من الزمن باستخدام الدارات الكهربائية صعب للغاية.

من منطلق نموذجي للدارات الكهربائية، تيار الدوران يُقاد عن طريق اختلاف الجهد بين الهيكل، لكن في هذا العمل قد استُخدم الاختلاف في درجة الحرارة لتوليد تيار الدوران، وكما يوضّح "تشوي" المؤلف الرئيسي للمقالة " تيار الدوران المتولّد عن طريق إزالة المغنطة الفائقة السرعة المقادة حراريا" والتي نشرت في مجلة Nature Communications

المغناطيس الحديدي المعدني لديه ثلاثة خزانات للطاقات : الالكترونات، و الماغنونات (MAGNONS)، والفونونات(PHONONS) كما يقول "تشوي".

باستخدام ضوء الليزر فائق القصر، قد أنشأنا فرقا في درجة الحرارة بين خزانات الطاقة الحرارية الثلاثة لبضعة بيكو ثانية.

هذا الفرق في درجة الحرارة بين الإلكترون و الماغنون يؤدّي لوجود تبادل من الزخم الدوراني الزاوي.

وبالتالي فإننا ننقل زخم الدوران الزاوي من الماغنون إلى الإلكترون الذي بدوره يؤدي إلى نقل تيار الدوران بشكل فائق السرعة .و يُشار إلى هذا التيار الدوراني بأنه مُقاد حراريا، ويُعتقد أن النتائج ستجعل الانضباط الناشئ من كالوريترونيات الدوران (spin caloritronics) يمتد إلى نظام من البيكو ثانية من المقاييس الزمنية.

فوائد التوليد الحراري على التوليد الكهربائي تنقسم إلى شقين، وفقا لتشوي "تشوي" :

التوليد الدوراني الحراري لديه إمكانات لكفاءة أعلى من التوليد الدوراني عن طريف التيارات الكهربائية ، "عملنا يظهر أن تيار الدوران الحراري يمكن أن يكون كبير بما فيه الكفاية لتدوير/ تناوب المغنطة". على الرغم من أن كمية تيار الدوران لا يزال أصغر مما يمكن أن يكون مطلوباً للتطبيقات العملية ، لكننا أظهرنا إمكانية التوليد الحراري".

الميزة الثانية هي النطاق الزمني السريع، النطاق الزمني لتيارات الدوران الناتجة عن التيارات الكهربائية يقتصر على بضعة نانو ثانية . و اختتم تشوي (Choi) قائلا:" في هذا العمل نحن قادرون على إنتاج تيار دوران بنطاق زمني من بضعة بيكو ثانية، و تيار الدوران المتولد من رتبة البيكو ثانية مرغوب به للتشغيل السريع لأجهزة الذاكرة المغناطيسية .

المصادر :

هنا

هنا

مصدر الصورة : هنا