باحثون أمريكيون يكتشفون أن نبضات 7 فولت يمكنها تغيير البنية الداخلية للزمرد

اكتشف باحثون أمريكيون مؤخرًا أن تطبيق نبضات بقوة 7 فولت على أفلام إلكترونية فائقة الرقة يمكن أن يسبب تغييرات في بنية الزمرد الموجودة تحتها. ووجد علماء مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أن هذا التأثير يمكن أن يمتد إلى عمق عشرات الميكرومترات داخل الزمرد، وهو عمق يتجاوز بكثير سمك الفيلم نفسه. وقال الدكتور ظهير إسلام (Zahir Islam)، الفيزيائي في مختبر أرجون الوطني والمؤلف المشارك في الدراسة، إن هذا الاكتشاف يتحدى افتراضًا شائعًا في الإلكترونيات الدقيقة، مفاده أن الركيزة الموجودة تحت الفيلم تلعب دور الدعم السلبي فقط. وعلى العكس، فإن الزمرد يستجيب أثناء تشغيل الأجهزة الإلكترونية، ويؤثر في سلوك الفيلم الموجود أعلاه.

وأكد قائلًا: «هذا ملاحظة محتملة لتحول نموذجي (paradigm shift). لا يمكن ببساطة افتراض أن الركيزة غير مرتبطة بخصائص الجهاز أو سلوكه.»

استجابة غير متوقعة لركيزة الزمرد

في هذه الدراسة، فحص الباحثون أفلام ثنائي أكسيد الفاناديوم (VO2) المنمو على الزمرد، والتي يمكنها التحول من عازل كهربائي إلى موصل عند تطبيق الجهد. ويُستخدم ثنائي أكسيد الفاناديوم عادةً في المفاتيح الإلكترونية، والأجهزة اللاسلكية، والأنظمة البصرية القابلة للضبط، والنوافذ الذكية. كما يجري استكشاف هذه المادة للاستخدام في المقاومات التذكرية (memristors)، وهي مكونات إلكترونية قادرة على الاحتفاظ ببيانات الإشارات الكهربائية السابقة، مما يجعلها جذابة للحوسبة العصبية الشكلية (neuromorphic computing). وفي الأجهزة التي درسها العلماء، أدى تطبيق الجهد إلى تحفيز تحول موضعي من العازل إلى الموصل، مما أدى إلى توليد خيط موصل ضيق داخل الفيلم العازل.

استخدم العلماء مصدر الفوتونات المتقدم في أرجون لإجراء دراسة للتغيرات الهيكلية العميقة. مكنت هذه الطريقة الباحثين من فحص التغيرات الهيكلية داخل الجهاز وتحته. ووجدوا أنه مع زيادة الجهد، يتوسع الخيط الموصل، وفي الوقت نفسه يتولد إجهاد غير منتظم في الزمرد الموجود أسفله، ويخترق هذا التشوه الركيزة الصلبة لعشرات الميكرومترات، متجاوزًا بكثير ما كان متوقعًا بناءً على التسخين وحده.

قال الدكتور إليوت كيسيل (Elliot Kisiel)، الحاصل على زمالة ماريا غوبرت ماير في مختبر أرجون الوطني والمؤلف الرئيسي للدراسة، إن الفريق شكك في البداية في أن الاستجابة غير المتوقعة لركيزة الزمرد قد تكون نتاجًا لعيب تجريبي (experimental artifact). والعيب التجريبي هو خطأ أو نتيجة مضللة ناجمة عن التجربة نفسها، وليست الظاهرة قيد الدراسة. وشرح كيسيل في بيان صحفي: «نظرًا لأن النتائج كانت مذهلة للغاية، أجرينا اختبارات متكررة على أجهزة متعددة، وعينات، وسمك أفلام، وحتى ركائز مختلفة. وكان هذا التأثير موجودًا باستمرار.» ويؤمن كيسيل أنه مع تصغير حجم الأجهزة الإلكترونية، واقتراب المكونات من بعضها البعض، سيصبح هذا الاكتشاف أكثر أهمية.

تطبيقات محتملة للحوسبة العصبية الشكلية

على سبيل المثال، قد يتسبب النشاط في جهاز واحد في تغييرات ميكانيكية في الركيزة المشتركة، مما يؤثر بدوره في الأجهزة القريبة. وعلى الرغم من أن هذا قد يسبب مشاكل، إلا أنه يمكن أيضًا توظيفه في الحوسبة العصبية الشكلية، مما يتيح للأجهزة المترابطة محاكاة طريقة معالجة الدماغ للمعلومات.

وخلص إسلام قائلًا: «أداء مصدر الفوتونات المتقدم في أرجون الاستثنائي مكننا من دراسة المزيد من الأجهزة في وقت أقصر لحزمة الشعاع، والتقاط معلومات هيكلية غنية وعالية الدقة.» وقد نُشرت الدراسة في مجلة «Science».

دور جديد للزمرد في الأجهزة الإلكترونية

تُظهر هذه الدراسة أن ركيزة الزمرد لم تعد مجرد دعم سلبي، بل يمكنها التأثير نشطًا في سلوك الفيلم، وهذا الاكتشاف يتحدى افتراضات الإلكترونيات الدقيقة التقليدية. ومع استمرار تصغير حجم الأجهزة الإلكترونية، سيصبح التأثير المتبادل بين المكونات أكثر وضوحًا، مما قد يكون له تأثير عميق على تصميم ووظائف المكونات الإلكترونية المستقبلية. ولا سيما في مجال الحوسبة العصبية الشكلية، حيث يمكن توظيف هذه التغيرات الميكانيكية في الركيزة لمحاكاة طريقة معالجة الدماغ للمعلومات، مما يفتح آفاقًا تطبيقية جديدة.