تتيح إعادة تشكيل شعاع الليزر للمهندسين تبديل المواد المغناطيسية السميكة بالضوء، مما يزيد من إمكانيات تخزين البيانات بشكل أسرع وأكثر إحكاما.
يتم تخزين كل صورة رقمية ووثيقة وفيديو يتم حفظها على القرص الصلب كتسلسل واسع من 1 و0، ممثلة ماديًا بمناطق مغناطيسية صغيرة. إن كتابة هذه المعلومات تعني عادةً استخدام مجال مغناطيسي خارجي لتبديل تلك المناطق بين الحالات. تستهلك هذه العملية طاقة كبيرة وتحد من سرعة كتابة البيانات.
يمكن للضوء أن يوصل الطاقة في دفعات قصيرة للغاية ويركزها في منطقة صغيرة، مما يجعله أداة واعدة لتبديل الحالات المغناطيسية. ويقدر الباحثون في جامعة كاليفورنيا سان دييغو أن هذه العملية، التي تسمى التبديل البصري، يمكن أن تكون أسرع بأكثر من 1000 مرة من الأساليب التي تعتمد على المجالات المغناطيسية الخارجية. لكن إنجاحها يعني التعامل مع القيود المفروضة على المادة المغناطيسية نفسها.
يتحرك التبديل البصري إلى ما هو أبعد من ثلاث طبقات
من خلال إعادة تشكيل وتقليص شعاع الليزر فائق السرعة، أظهر مهندسو جامعة كاليفورنيا في سان دييغو التبديل البصري في كومة من تسع طبقات متناوبة من البلاتين والكوبالت. النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في اتصالات الطبيعة، وتوسيع هذه التقنية لتشمل بنية أكثر سمكًا مما سمحت به التجارب السابقة.
قال المؤلف الرئيسي عبدولاي نداو، الأستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس: “لقد وجدت التجارب السابقة أن زيادة سمك المادة إلى ما هو أبعد من ثلاث طبقات يؤدي إلى قمع التبديل البصري”. “وهذا يضع قيدا على السُمك الإجمالي للمادة المغناطيسية، وبالتالي قدرتها على الاحتفاظ بالذاكرة على المدى الطويل.”
تطلبت العروض السابقة أيضًا استقطابًا محددًا للضوء، مما يعني اتجاهًا معينًا لمجاله الكهربائي. لقد حقق النهج الجديد التبديل دون هذا المطلب، مما يدل على أن هندسة الشعاع يمكن أن تتغلب على القيود التي تنطوي على كل من الكدسة المغناطيسية والضوء المستخدم للتحكم فيها.
قال المؤلف الأول محمد وليد خالد، دكتوراه في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر: “لقد قمنا بتصميم الضوء بصريًا لتغيير الفيزياء التي تحدث في المادة على المستوى الصغير والنانوي”. طالب في مجموعة بحث نداو.
تقلب نبضات الليزر المغناطيسية على مراحل
يتطور التبديل عبر نبضات ليزر متعددة. تركز النبضات الأولى ما يكفي من الحرارة في منطقة صغيرة لعكس حالتها المغناطيسية. تقوم النبضات اللاحقة بتوسيع تلك المنطقة المعكوسة تدريجيًا حتى تصبح مستقرة. وبالتالي فإن التحكم في مكان هبوط الطاقة يساعد في تحديد كيفية تشكل المنطقة المبدلة ونموها.
وقال خالد: “إن العمل باستخدام ليزر متخصص سمح لنا بهندسة الشعاع بصريًا ليكون له شكل وحجم معين”. “لقد منحنا ذلك المجال لاستكشاف المزيد من الفيزياء الأساسية، وهو ما لا يمكن القيام به باستخدام شعاع الليزر التقليدي.”
أفاد الباحثون أن الشعاع المُصمم هندسيًا أصغر بحوالي عشرات المرات من الحزم المستخدمة في الأساليب السابقة. حجمها مهم أيضًا لاحتمال تخزين المزيد من المعلومات داخل نفس المساحة المادية.
وقال نداو: “كلما كان حجم الشعاع أصغر، كانت الذاكرة الضوئية أصغر وأكثر كثافة”.
إعادة تصميم الضوء بدلاً من المواد المغناطيسية
أدى التحقيق في التفاعل بين الشعاع والمكدس المغناطيسي إلى جمع مجالين معًا، قال نداو إنه لا يتداخلان عادةً. تعاونت مجموعة البصريات الخاصة به مع خبير المواد المغناطيسية للأغشية الرقيقة إريك فولرتون، وهو أستاذ في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، بالإضافة إلى الهندسة الكيميائية وهندسة النانو. فولرتون هو أيضًا أستاذ كرسي موهوب في مركز الجامعة لأبحاث الذاكرة والتسجيل.
سمح هذا المزيج من الخبرة للباحثين بالتعامل مع مشكلة الذاكرة المغناطيسية طويلة الأمد من خلال سلوك الضوء.
وقال نداو: “بدلاً من تصميم مادة جديدة لتمكين التبديل البصري، قمنا بإعادة تصميم الضوء نفسه وأظهرنا خصائص جديدة لم يكن يعتقد من قبل أنها ممكنة”.
كان على الفريق أيضًا إثبات إمكانية إعادة إنتاج الاستجابة المغناطيسية بشكل موثوق.
وأضاف خالد: “كانت التأثيرات التي شهدناها جديدة وغير عادية لدرجة أننا واجهنا صعوبة في إقناع الآخرين في هذا المجال بأن اكتشافنا لم يكن مجرد صدفة. لقد أمضينا الكثير من الوقت والجهد في تكرار تجاربنا والتحقق منها لإثبات عملنا لمجتمع البصريات”.
إدخال الليزر في رقائق الكمبيوتر
يقوم الباحثون الآن بدراسة الهياكل البصرية التي يمكن أن تحصر الضوء في مساحات أصغر، مما قد يؤدي إلى تقليص الشعاع إلى بضع مئات من النانومترات. تهدف هذه التجارب إلى الكشف عن كيف يمكن للضوء الهندسي التحكم في المغناطيسية على نطاقات صغيرة بشكل متزايد، وهو اعتبار ضروري لتعبئة المعلومات المغناطيسية بشكل أكثر كثافة.
ستحتاج أجهزة التخزين التجارية أيضًا إلى طريقة عملية لإنتاج وتوصيل النبضات. ولا يمكن حتى الآن دمج الليزر فائق السرعة المتخصص المستخدم في التجارب في رقائق الكمبيوتر. هناك طريق آخر محتمل وهو العثور على مواد مغناطيسية تنتج تأثيرات مماثلة باستخدام أشعة الليزر التي يسهل دمجها في الأنظمة الإلكترونية.
المرجع: “تشكيل الشعاع البصري المستحث بالمجالات المغناطيسية القابلة لإعادة التشكيل” بقلم محمد وليد خالد، شينا كيه كيه باتيل، كوفي إيمانويل سادزي، محمد صلاح الحضري، سيرجيو أ. مونتويا، ستيفان مانجين، إريك إي. فوليرتون وعبدولاي نداو، 15 سبتمبر 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-77572-3
يود المؤلفون الاعتراف بالدعم المالي من جائزة بيكمان للمحقق الشاب لعام 2023؛ مؤسسة أرنولد ومابيل بيكمان 2024 زمالة ألفريد بي سلون للأبحاث؛ ومؤسسة مور لبرنامج PAIR UP لعلوم التصوير؛ ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي MURI (الجائزة رقم FA9550-22-1-0312). تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم من خلال مركز علوم وهندسة أبحاث المواد بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو (رقم المنحة MRSEC DMR-2614051). تم تنفيذ هذا العمل جزئيًا في البنية التحتية لتقنية النانو في سان دييغو (SDNI) في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، وهي عضو في البنية التحتية الوطنية المنسقة لتقنية النانو، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (ECCS-2025752).
