ميمريستور عالي السرعة وموفّر للطاقة محصور في مساحة أقل من 5 نانومتر مع طبقة خزان أكسجين عنصرية

ذاكرة أذكى وأسرع للإلكترونيات المستقبلية

تحرق أجهزة الكمبيوتر اليوم كثيرًا من الطاقة فقط لنقل البيانات ذهابًا وإيابًا بين الذاكرة والمعالجات. يسعى المهندسون إلى أجهزة صغيرة يمكنها تخزين ومعالجة المعلومات في آن واحد، بطريقة أقرب إلى عمل أدمغتنا، مع هدر طاقة ضئيل. تُبلغ هذه المقالة عن نوع جديد من عناصر الذاكرة الإلكترونية فائقة النحافة، يُسمى ميمريستور، يبدّل بسرعة فائقة، ويستهلك طاقة قليلة جدًا، ويمكن أن يكون لبنة أساسية لأنظمة الحوسبة المستوحاة من الدماغ.

ما الذي يميّز هذه الذاكرة الجديدة

تعتمد الميمريستورات التقليدية في كثير من الأحيان على الحركة العشوائية للعيوب الصغيرة داخل طبقة أكسيد، مما يؤدي إلى سلوك غير متوقع وفشل مبكر للجهاز. يعالج الباحثون هذه المشكلة ببناء تَرَكَب رقيق للغاية من مواد مختارة بعناية بسمك بضعة مليارات من المتر فقط. في قلب الجهاز توجد طبقة من أكسيد الهافنيوم بسماكة 4.5 نانومتر تعمل كمناطق التبديل. تحتها مباشرة، يضيفون طبقة «خزان أكسجين عنصرية» بسماكة 3.5 نانومتر، محصورة بين ورقتين فائقتي النعومة من مواد ثنائية الأبعاد تسمى HfS₂ وMoS₂، مع أقطاب ذهبية في الأعلى والأسفل. الفكرة الأساسية هي أن هذه الواجهات السلسة على مستوى الذرات تبقي المجال الكهربائي موحدًا وتقيد بشدة الأماكن التي يمكن أن تتحرك فيها العيوب النشطة.

كيفية بناء الطبقات الدقيقة وفحصها

لبناء الجهاز، يقشّر الباحثون أولًا رقائق رقيقة من MoS₂ ويضعونها على أقطاب ذهبية مرسومة مسبقًا. ثم يكدّسون رقائق HfS₂ فوقها لتشكيل مفصل طبقي. معالجة منظَّمة بالأوزون تحول أجزاء من HfS₂ بلطف إلى أكسيد الهافنيوم دون تَخشين السطح، مكونة ساندويتش من أكسيد الهافنيوم، وHfS₂ المتبقي، ومزيد من أكسيد الهافنيوم. عند واجهة MoS₂، يتراكم الأكسجين ليشكّل طبقة الخزان الخاصة. باستخدام أدوات مثل مجهر القوة الذرية، ومطيافية رامان، والمجهر الإلكتروني المتقدم، تُظهر الفريق أن الطبقات الناتجة شديدة النعومة وأن خزان الأكسجين الغني محصور جيدًا عند الواجهة. تكشف التحليلات الكيميائية عن أنواع مرتبطة بالأكسجين يمكنها بسهولة اكتساب أو فقد إلكترونات، مما يؤكد أن هذه المنطقة تعمل كعازل مرن لتبادل الأكسجين.

تبديل سريع ومستقر مع تسرب كهربائي ضئيل جدًا

تُظهر الاختبارات الكهربائية أن الميمريستور الجديد يتبدّل بثبات بين حالة «إيقاف» ذات مقاومة عالية وحالة «تشغيل» ذات مقاومة منخفضة عبر نطاق واسع من ظروف التشغيل. وبما أن خزان الأكسجين يعمل كحاجز ضد مسارات التسرب غير المرغوب فيها، فإن تيار حالة الإيقاف يكون ضئيلًا للغاية، بينما تكون نسبة التيار تشغيل/إيقاف كبيرة جدًا. يمكن للجهاز أن يتبدّل في غضون بضعة مليارات من الثانية — نحو 8 نانومتر لفتح والـ15 نانومتر لإغلاق — ويمكنه تحمّل ما لا يقل عن مئة ألف دورة تبديل دون تدهور ملحوظ. كما يحافظ على حالته لما لا يقل عن مئة ألف ثانية، حتى عند درجات حرارة مرتفعة. تشير هذه النتائج إلى أن حركة العيوب المتعلقة بالأكسجين محكومة جيدًا داخل طبقة التبديل الضيقة، مما يؤدي إلى سلوك متسق من جهاز لآخر.

كيف يعمل الجهاز من الداخل

داخل طبقة أكسيد الهافنيوم، تعمل ذرات الأكسجين المفقودة كحاملات شحنة قابلة للحركة. عندما يُطبَّق جهد موجب، تنجرف هذه الفراغات وتتصل لتشكّل مسارًا موصلًا رفيعًا، فتتحول الدارة إلى وضع التشغيل. عكس الجهد يسحب الأكسجين من الخزان إلى هذا المسار، فيُصلحه ويكسر الاتصال فتعود الحالة إلى الإيقاف. وبما أن المنطقة النشطة محصورة بين حدود سلسة وقليلة العيوب، يتكوّن المسار الموصل ويذوب بطريقة مسيطرة بدلًا من التجوال بشكل غير متوقع. تُظهر قياسات التيار والجهد عند درجات حرارة مختلفة أن كلًا من التوصيل البسيط عبر هذا المسار وتأثيرات شحنة الفراغ في المناطق العازلة تلعب دورًا في السلوك العام، لكن التَركيب المصمّم بعناية يحافظ على تكرارية هذه العمليات بدرجة عالية.

نحو حوسبة منخفضة الطاقة مستوحاة من الدماغ

بعيدًا عن كونه مفتاحًا بسيطًا، يمكن للجهاز تعديل توصيليته تدريجيًا استجابةً لنبضات جهد مصمَّمة، تمامًا مثل المشابك البيولوجية التي تقوى أو تضعف مع النشاط المتكرر. يستخدم المؤلفون هذه الاستجابات المقاسة لمحاكاة شبكة عصبية تتعرف على الأرقام المكتوبة بخط اليد. في هذه الاختبارات، تصل شبكة مبنية على خواص ميمريستورهم إلى دقة تقارب 97 بالمئة على مجموعة بيانات معيارية، قرب أداء المكونات المثالية. ببساطة، تُظهر هذه الدراسة أنه عن طريق حصر حركة الأكسجين بإحكام داخل تَرَكَبٍ فائق النحافة وسلس على مستوى الذرات، من الممكن بناء عناصر ذاكرة سريعة وموفرة للطاقة وموثوقة للغاية ومناسبة لهياكل الحوسبة «في الذاكرة» والعصبية المنخفضة الطاقة في المستقبل.

الاستشهاد: Li, C., Niu, W., Wan, D. et al. High-speed energy-efficient memristor confined in sub-5 nm space with elemental oxygen reservoir layer. Nat Commun 17, 4117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70806-4

الكلمات المفتاحية: ميمريستور, الحوسبة العصبية, أكسيد الهافنيوم, مواد ثنائية الأبعاد, إلكترونيات منخفضة الطاقة