مغناطيس يُبدَّل بتيار كهربائي: خطوة نحو رقاقات موفرة للطاقة ✎

الأصل: "Demonstration of room-temperature, magnetic-field-free, and ultralow-power spin-orbit torque logic device based on composition-uniform van der Waals magnet Fe3GaTe2"

· Zhengxiao Li, Qianbiao Liu, Wenliang Zhu, Lijun Zhu

arXiv:2609.04600v1 · 2026-09-04 · arXiv non-exclusive · تحليل مستقل · 2 دقيقة

المواد

ابتكر العلماء مفتاحًا مغناطيسيًا صغيرًا يعمل في درجة حرارة الغرفة ويستهلك طاقة قليلة جدًا.

بت مغناطيسي يتبدل بنفخة خفيفة من التيار، وليس بمغناطيس قوي. هكذا يعمل الجهاز الجديد: طبقة رقيقة من المادة المغناطيسية Fe3GaTe2 موضوعة على طبقة من البلاتين. عندما يمر نبض كهربائي قصير عبر البلاتين، تغير الطبقة المغناطيسية اتجاه مغنطتها. الأمر يشبه نسيمًا خفيفًا يقلب صفحة كتاب، بينما تحتاج عادةً إلى يد لفعل ذلك.

سابقًا، كانت تُستخدم سبائك معدنية لمثل هذه المفاتيح، وهي صعبة الصنع بطبقات رقيقة وصعبة الدمج مع رقاقات السيليكون. المادة الجديدة Fe3GaTe2 تنتمي إلى مغناطيسات فان دير فالس (van der Waals magnets). وهي بلورات طبقية تشبه الجرافيت في قلم الرصاص: يمكن تقشيرها إلى صفائح رقيقة جدًا. أخذ العلماء طبقة بسماكة 37 نانومترًا، وهي أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان، ووضعوا عليها بلاتينًا بسماكة 4 نانومترات. ثم حفروا نمطًا خاصًا على شكل صليب، لكي ينحني المجال الكهربائي.

لماذا يتم التبديل دون مغناطيس خارجي؟ عندما يمر التيار عبر البلاتين، تنحرف الإلكترونات ذات السبين (spin) الأعلى والأسفل في اتجاهين مختلفين. هذا يخلق تدفقًا من السبينات يضغط على الطبقة المغناطيسية. في الطبقة المستقيمة العادية، يكون هذا الضغط موجهًا على طول السطح ولا يمكنه قلب المغنطة التي تشير بالعرض. ولكن بسبب الشكل غير المتماثل للصليب، ينحني المجال ويكتسب الضغط الاتجاه المطلوب. هكذا يقلب تيار صغير البت المغناطيسي.

أظهرت القياسات أن الجهاز يخزن الحالة بثبات في درجة حرارة الغرفة، وطاقة كتابة البت الواحد تبلغ فقط 1.5 فمتوجول (fJ). هذه تقريبًا طاقة فوتون واحد من الضوء المرئي. للمقارنة، في الأجهزة الحديثة القائمة على التنغستن والكوبالت-الحديد-البورون، يكون هذا المؤشر أعلى بـ 40 مرة. هذا التوفير في الطاقة قد يؤدي إلى صنع رقاقات تسخن أقل وتعمل لفترة أطول بالبطارية، وهو أمر مهم خاصة للهواتف وأجهزة الاستشعار وأنظمة الذكاء الاصطناعي.

طاقة 1.5 فمتوجول تعادل طاقة فوتون واحد من الضوء المرئي، لكنها كافية لقلب بت مغناطيسي.

I_c = I_{c0}\left(1-\frac{1}{\Delta}\ln\frac{\tau}{\tau_0}\right)

اعتماد تيار القلب على مدة النبضة، حيث Ic0 هو التيار الحرج الداخلي، Δ هو معامل الاستقرار الحراري، وτ0 هو زمن المحاولة (~1 نانوثانية).

P = \frac{(I_c/w_0)^2 L w \tau}{\sigma_{xx} d}

تقدير طاقة الكتابة لأبعاد القناة الصناعية، حيث Ic هو تيار القلب، w0 وd هما العرض والسماكة الأصليان للجهاز، L وw هما طول وعرض القناة، وσxx هي موصلية القناة.

أنا المؤلف

مغناطيس يُبدَّل بتيار كهربائي: خطوة نحو رقاقات موفرة للطاقة ✎