وصلات نفقية مغناطيسية ذرّية مُلوَّية ذات حالات غير متطايرة متعددة

تخزين أكثر من الأصفار والآحاد

تفكر الأجهزة الرقمية اليوم غالباً بصورة ثنائية: كل عنصر ذاكرة صغير يحمل إمّا صفراً أو واحداً. تستكشف هذه الورقة طريقة لحشو أكثر من قيمتين ثابتتين داخل جهاز مغناطيسي فائق الصغر مصنوع من صفائح ذرية. من خلال تدوير هذه الطبقات المغناطيسية الرقيقة جداً بعناية، يظهر الباحثون أن وصلة واحدة يمكن أن تحتفظ بثبات بعدة حالات مميزة دون حاجة للطاقة، مما يشير إلى ذاكرة أكثر كثافة وأنواع جديدة من الحوسبة وأجهزة تقترب من حدود التصغير النهائية.

من البِتات المغناطيسية التقليدية إلى المكدسات الذرّية

تتواجد الوصلات النفقية المغناطيسية بالفعل في قلب ذاكرات المغناطيسية الحديثة ورؤوس قراءة الأقراص الصلبة. في وصلة تقليدية، تُفصل طبقتان معدنيتان مغناطيسيتان بحاجز عازل رقيق للغاية. يمكن للإلكترونات «الأنفاق» عبر هذا الحاجز بسهولة أكبر عندما تشير المغناطيسيات في الطبقتين في نفس الاتجاه مقارنة باتجاهين متعاكسين، ما يوفّر مستويَي مقاومة يُرمزان إلى صفر وواحد. ثبت أن هذا التصميم قوي وقابل للتوسع، لكنه لا يزال مبنياً على حواجز أكسيد سميكة نسبياً وغير مثالية ومحدود أساساً بحالتين ثابتتين فقط.

لماذا تُغيّر الطبقات الذرّية الملوَّية قواعد اللعبة

يلجأ الفريق إلى مادة تدعى CrSBr، وهي نصف ناقل ذو خواص مغناطيسية حتى عند تقليصها إلى طبقة ذرية واحدة. في شكلها الطبيعي، تتزاوج طبقتان من هذا النوع بحيث تصطف المغناطيسيات داخل كلِّ ورقة ولكن تتعاكس بين الورقَتين. عند استخدامها كحاجز بين موصلين، تعمل هذه الثُنائيَّة بالفعل كوصلة نفق ذرّية. الفكرة الرئيسية هنا أن تدوير إحدى طبقات CrSBr بالنسبة للأخرى — أي إنشاء واجهة ملوَّية — يكسر إلى حد كبير الارتباط القوي المعتاد بين الطبقات. يمكن لكل واجهة ملوَّية بعد ذلك أن تدعم اثنين من المحاذاة المغناطيسية المستقرة المختلفة، التي تتحول إلى وضعيتي توصيل مميزتين حتى عندما لا يُطبَّق حقل مغناطيسي خارجي.

بناء أجهزة ذات مستويين وأربعة مستويات ثابتة

أولاً، يضع الباحثون طبقة أحادية من CrSBr فوق ثنائي CrSBr طبيعي، مكونين بنية ثلاثية الطبقات بواجهة ملوَّية واحدة. يظل الثنائي السفلي مثبتاً بقوة في نمط معاكس، يعمل كمرجع صلب، بينما يمكن للواجهة الملوَّية الأعلى أن تتخذ إما ترتيباً شِبه متوازٍ أو شِبه معاكس. تظهر مسوحات الحقل المغناطيسي بعناية أن التيار عبر هذه الوصلة ذات المقياس الذري يمكن أن يتبدل بشكل متكرر بين مستويَي تيار عند عدم وجود حقل، مع تغيّرات في المقاومة قد تصل إلى مئات السٍّلمات المئوية في الأجهزة المحسّنة. وبما أن الثنائي الأساسي يوفر «تثبيتاً» قوياً، فإن هاتين الحالتين ثابتتان بصورة غير عادية عبر دورات كثيرة وعبر نطاق واسع من اتجاهات الحقل.

تحويل واجهة ملوَّية واحدة إلى عنصر متعدد المستويات

ثم يوسّع المؤلفون التصميم بإضافة طبقة أحادية ثانية تحت الثنائي، مكوِّنين مكدساً ذا أربع طبقات به واجهتان ملوَّيتان: أحادية/ثنائي/أحادية. الآن، يمكن لكل من الطبقتين الأحاديتين العلوية والسفلية أن تتخذا بشكل مستقل إحدى اتجاهين بالنسبة إلى الثنائي المركزي. بالمجمل، يولد ذلك أربع تكوينات مغناطيسية مميزة، كل منها ينتج تيار نفق مختلف عند الحقل الصفري. تُظهر التجارب عند درجات حرارة منخفضة جداً أربع مستويات تيار منفصلة وقابلة للتكرار. من خلال توجيه اتجاه وقوة حقول مغناطيسية معتدلة، يبرهن الفريق أن أيَّة من هذه الحالات الأربع يمكن تحويلها إلى أي حالة أخرى، إما مباشرة أو عبر تسلسلات من خطوات التحويل، محققين عملياً خلية ذاكرة ذات أربعة مستويات قابلة للتحكم داخل وصلة ذرّية واحدة.

نحو ذاكرة وحوسبة مغناطيسية أكثر ثراءً

بخلاف هذه المكدسات الخاصة، يوضح المؤلفون أن أفكاراً مماثلة تعمل عندما تكون كل الطبقات مضادة للمغناطيسية، مما ينتج ثلاث مستويات غير متطايرة في جهاز مصنوع من ثلاثة ثنائيات ملوَّية. تثبت النتائج معاً أن إضافة واجهات ملوَّية داخل مواد فان دير فال المغناطيسية وحدها يمكن أن تضاعف عدد حالات المقاومة الثابتة المتاحة في وصلة واحدة. بالنسبة للقارئ العادي، هذا يعني مساراً نحو عناصر ذاكرة تخزن عدة قيم بدلاً من صفر أو واحد فقط، في أجهزة لا يزيد سمكها عن بضعة ذرات. قد تضُمّن هذه الوصلات النفقية المغناطيسية متعددة المستويات والرقيقة للغاية يوماً ما كمية معلومات أكبر بكثير في نفس المساحة وتمكّن أنواعاً جديدة من معماريات الحوسبة المقتبسة من الدماغ أو الموفّرة للطاقة.

الاستشهاد: Chen, Y., Samanta, K., Healey, A.J. et al. Twisted atomic magnetic tunnel junctions with multiple nonvolatile states. Nat Commun 17, 2439 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z

الكلمات المفتاحية: وصلات نفقية مغناطيسية, مغناطيسات ثنائية الأبعاد ملوَّية, ذاكرة متعددة المستويات, CrSBr, سبينترونيكس