سبق حتى اعترت الكثير من المهندسين حالة من الإثارة التي تنجم عن تصميم منتج حديث يدخل لاحقا حيز الإنتاج الواسع وينتشر في جميع أراتى العالم. فنحن نأمل ـ لا بل في الحقيقة نراهن باحتمال أعلى من %50 ـ أننا خلال ثلاث سنوات يفترض أن نشعر بالبهجة النادرة الناجمة عن إطلاق طائفة جديدة تماما من الآلات.

لقد ازداد النقاش كثيرا هذه الأيام عن التقانة النانوية على أنها مجال فهمي رائد مازال في طور الظهور، وعالم تعمل فيه الآلات عند مقاييس تقدر بأجزاء من البليون من المتر. وبشكل مشابه، فإن الأبحاث الجارية على الأنظمة الكهرميكانيكية الميكروية (الصغرية) microelectromechanical systems MEMS ـ وهي أجهزة لها أجزاء مجهرية متحركة تصنع باستخدام تقنيات صناعة شيپات chip الحواسيب ـ قد رافقها حتى الآن الكثير من النادىية المفرطة رغم ضآلة عدد منتجاتها التجارية نسبيا. ولكن كما لاحظنا، بعد حتى أمضينا حتى الآن ست سنوات في العمل في أول المشروعات المركزة الهادفة إلى ابتكار أداة ميكانيكية نانوية ملائمة للإنتاج الواسع، فإن الهندسة تصبح عند تلك المقاييس البالغة الصغر منصهرة مع البحث الفهمي على نحولا فكاك منه. فتظهر هنا وهناك عقبات غير متسقطة بدءا من تجربة إثبات المبادئ إلى إنتاج نموذج بدئي (أولي) مناسب وانتهاء بالخروج بمنتج يلقى رواجا في الأسواق.

لقد أطلقنا هنا في الشركة IBM على مشروعنا اسم «ميليپيد» Millepede (أي «الحشرة» ذات الألف رجل). وإذا ما استمررنا على نفس المنوال، يصبح بإمكانك مع حلول العام 2005 تقريبا حتى تشتري لكاميرتك أولمسجلتك المحمولة MP3 بطاقة ذاكرة لا يزيد حجمها على حجم طابع البريد. وهذه البطاقة لا تستطيع حتى تخزن عشرات الميگابايتات(1) من الإنضمامات الڤيديوية أوالصوتية فحسب، مثلما تعمل بطاقات الذاكرة الومضية(2) flash memory التقليدية، بل عدة جيگابايتات (بلايين من البايتات) ـ كافية لتخزين مجموعة كاملة من الأقراص المدمجة الموسيقية أوعددٍ من الأفلام السينمائية. وسوف تكون أيضا قادرا على محوالبيانات من على البطاقة وإعادة الكتابة عليها. كما أنها ستكون بطاقة سريعة جدا تستهلك كمية معتدلة من الطاقة. وقد تُطلِق عليها اسم السوّاقة النانوية nanodrive.

قد يظهر هذا التطبيق الأولي مثيرا للاهتمام، لكنه أبعد من حتىقد يكون ذا شأن عظيم. ومع ذلك فبطاقات الذاكرة الومضية ذات سعة الجيگابايت متوافرة عملا في الأسواق. والجزء المثير في الأمر هوحتى السواقة «ميليپيد» تقوم بتخزين البيانات الرقمية بشكل مختلف كليا عن الأقراص الصلبة (الثابتة) المغنطيسية وعن الأقراص المدمجة الضوئية وعن شيپات الذاكرة المعتمدة على الترانزستور. فبعد عقود من التقدم المذهل، وصلت هذه التقانات المكتملة النضج إلى نهاية المطاف، وما زال أمامها قيود فيزيائية رهيبة.

في اللقاء، مازالت المحركات النانوية الأولى في بداية إمكاناتها المتسقطة، ومازال أمامها عقود من الصقل والتحسين. ومن حيث المبدأ، فإن البتات bit ثلاثة الرقمية، التي ستعمل الأجيال المستقبلية من الأجهزة المشابهة للسواقة ميليپيد على كتابتها وقراءتها ومحوها، قد تستمر في الانكماش (التضاؤل) حتى تغدوجزيئات أوحتى ذرات منفردة. وبقدر ما تغدوالأجزاء المتحركة من السواقات النانوية أصغر، بقدر ما يصبح عملها أسرع واستهلاكها للطاقة أكثر مردودا. إذا أول المنتجات التي تستخدم تقانة السواقة «ميليپيد» ستكون على الأرجح بطاقات تخزين البيانات ذات السعة الكبيرة في الكاميرات وأجهزة الهاتف المحمولة والأجهزة المحمولة الأخرى. وستعمل بطاقات السوّاقات النانوية بشكل يشبه إلى حد كبير طريقة بطاقات الذاكرة الومضية في هذه الأجهزة، لكنها ستوفّر سعة من عدة جيگابايتات بكلفة أقل. وقد تكون التقانة نفسها بمثابة نعمة لأبحاث علوم المواد والتقانة الحيوية، أوحتى لتطبيقات لا يمكن التنبؤ بها في وقتنا الحاضر.

كان هذا الأمل الطويل الأجل هوالذي أثارنا كثيرا منذ نحوست سنوات. وقد تفهمنا خلال مسيرتنا حتى الأسلوب الوحيد أحيانا للتغلب (الالتفاف) على حاجز ماقد يكون عن طريق الاكتشاف بطريق المصادفة. ولحسن الحظ، فإلى جانب العقبات غير المتسقطة توجد أيضا الهِبات غير المتسقطة. ويبدوأنه غالبا ماقد يكون هناك مكافأة من الطبيعة إذا ما تجرأ المرء على الخوض في مجالات جديدة. ومن جهة أخرى، ليست الطبيعة دائما بهذا السخاء، وعليك حتى تتغلب على العقبة بنفسك. لقد عملنا بجد على هذا النوع من المشكلات، لكن ليس بالقدر الكافي. وإذا كنا في فترة ما غير قادرين على التصدى لمسألة ما، فلعلنا نستطيع حتى نجد لها حلا بعد عام. وتتطلب مثل هذه الحالات حدسا جيدا يجعلك تتسقط إمكانية حل المسألة دون حتى تفهم بعد كيفية القيام بذلك.

فكرة مفتونة(**)

يمكن القول إذا مشروع السواقة «ميليپيد» انطلق من ملعب لكرة القدم. فقد كنا ننتمي نحن الاثنان إلى فريق كرة القدم نفسه التابع لمختبر أبحاث IBM في زوريخ حيث كنا نعمل. وقام عضوآخر في الفريق هو<H.رُورَرْ> بتعريف أحدنا إلى الآخر. وكان <رُورَرْ> قد بدأ عمله في مختبر زوريخ في العام 1963، وهوالعام نفسه الذي باشر فيه أحدنا (ڤيتيگر) العمل. وكان <رُورَر>ْقد تعاون مع <بينيگ> في اختراع مجهر المسح النفقي scanning tunneling microscope STM عام 1981، وهي تقانة أدت إلى تحقيق إمكانية طال البحث عنها، ألا وهي إمكانية مشاهدة الذرات الإفرادية ومنابلتها.

في عام 1996 كنا نبحث معا عن مشروع حديث في بيئة مختلفة إلى حد بعيد. وقد كانت السنوات الأولى من التسعينات صعبة بالنسبة إلى الشركة IBM، وكانت الشركة قد باعت مجهوداتها الفهمية في مجال الليزر، وهي التقانة التي كان <ڤيتيگر> يدير جزءا منها. وكان <بينيگ> قد أغلق مختبره التابع لهذه الشركة في ميونيخ وعاد إلى زوريخ. فبدأنا مع <رُورَرْ> بتطبيق تقانة مجهر المسح النفقي أوتقنيات المسح المسبري الأخرى، وبالتدقيق مجهر القوة الذرية atomic force microscope AFM .

كان المجهر AFM، الذي اخترعه <بينيگ> وطوره جميع من <C.گربر> [من مختبر زوريخ] و<.Cكويت> [من جامعة ستانفورد] تعبير عن تقنية السبر المحلي الأكثر استخداما. ومثل المجهر STM، كان المجهر AFM ينحومنحى جديدا تماما في استعمال المجاهر. فعوضا عن تكبير الأمور باستخدام عدسات لتوجيه أشعة الضوء أوبتنشيط إلكترونات لكي ترتد بعيدا عن الجسم، يقوم المجهر AFM بجر ظفر(3) صغير أوبنقره بشكل بطيء فوق سطح الجسم. ويجثم عند نهاية الظفر رأس حاد مستدق (متناقص تدريجيا) يقل عرضه عن 20 نانومترا ـ أي بضع مئات من الذرات. وفيما يمر الطرف المستدق للظفر فوق انخفاضات السطح وارتفاعاته (إما عن طريق التلامس معه أوالاقتراب الشديد منه) يترجم حاسوب انحراف الظفر إلى صورة، مُظهرا، في أحسن الحالات، جميع ذرة تمر أمام الظفر.

وبينما كان <بينيگ> يصنع أول صور لذرات سيليكون إفرادية في منتصف الثمانينات، أخذ يرطم رأس المجهر بالسطح بشكل غير متعمد مخلفا نقرا dents صغيرة في السيليكون. كانت إمكانية استخدام المجهر STM أوالمجهر AFM كجهاز تخزين للبيانات بالمقياس الذري بادية للعيان: فوجود نقرة يشير على الرقم 1، ويدل عدم وجودها على الرقم 0. غير حتى الصعوبات لم تكن خافية أيضا. فقد كان يجب على الرأس حتى يتبع خطوط السطح الكفافية بشكل ميكانيكي، لذا كان عليه حتى يقوم بمسح بطيء جدا مقارنة بسرعة الدوران الكبيرة لقرص التخزين الصلب hard disk platterأوبزمن الابتدال switching time في الترانزستورات والذي تقدر قيمته بوحدات النانوثانية.

وما لبث حتى ظهرت لاحقا نقاط إيجابية وأخرى سلبية. فبسبب الكتلة المتناهية الصغر للأظفار،قد يكون عمل المجهر AFM عندماقد يكون الرأس في تلامس مباشر مع الوسط أسرع بكثير من عمل المجهر STM أومن عمل المجهر AFM غير الملامس للوسط، رغم أنه لايزال بعيدا عن سرعة التخزين المغنطيسي. ومن ناحية أخرى فإن رؤوس المجاهر AFM الملامسة للوسط تهترئ بسرعة عند استخدامها في مسح السطوح المعدنية. فضلا على أنه ـ ولعل هذا هوالشيء الأهم ـ بمجرد ما يقوم الرأس بإحداث نقرة، لا تعود هناك طريقة واضحة «لمحوها» (إزالتها).

وكان فريق من مركز أبحاث ألمادن التابع للشركة IBM [في سان هوزيه بكاليفورنيا] بقيادة <D.روگار> قد حاول إطلاق نبضات ليزرية على الرأس بغية تسخينه، الأمر الذي سيؤدي بدوره إلى تليين الپلاستيك بحيث يتمكن الرأس من إحداث نقر فيه. وقد تمكّن الفريق من عمل تسجيلات شبيهة بتسجيلات الأقراص المدمجة خزنت فيها البيانات بشكل أكثر كثافة مما تستطيع القيام به أقراص الڤيديوالرقمية (DVD) الحالية. وقد خضعت أيضا لاختبار بلى (اهتراء) wear test مكثف وحققت نتائج واعدة للغاية. غير حتى النظام كان بطيئا جدا وظل يفتقر إلى وسيلة تقنية تسمح بمحوالبيانات وإعادة كتابتها.

لقد قام فريقنا بوضع مخطط تصميمي شعرنا أنه يمكن حتى يعوض عن هذه المقومات الناسيرة. فعوضا عن استخدام ظفر واحد فقط، لِمَ لا نستغل براعة صانعي الشيپات من أجل خلق آلاف أوحتى ملايين البتر المجهرية المتماثلة على شريحة سيليكونية لا تزيد على حجم ظفر الإبهام،يا ترى؟ وبالعمل معا على التوازي ـ كأرجل ذات الألف رجل ـ يمكن لجيش من رؤوس المجهر AFM البطيئة حتى يقرأ أويخط البيانات بسرعة كبيرة إلى حد ما.

هنا كان الأمر بحاجة إلى مزيد من الخيال لتصور فرصة للنجاح، أكثر من حاجته إلى إيجاد الفكرة بحد ذاتها. وعلى الرغم من حتى تشغيل مجهر AFM واحد أمر قاسي أحيانا، فقد كنا واثقين بأن جهازا متوازيا بشكل واسع النطاق ويتضمن رؤوسا عديدة يفترض أن تتوافر له فرصة حقيقية للعمل بشكل موثوق.

في البداية، كنا نحتاج إلى طريقة واحدة على الأقل للمحو، سواء أكانت هذه الطريقة محكمة التصميم أم لا. وقد تصورنا أنه قد تظهر في المستقبل بدائل أخرى. فقمنا بتطوير طريقة لمحوحقول كبيرة من البتات. وسخّنّاها إلى درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة التي يبدأ عندها الپوليمر بالتليّن، بشكل يشابه إلى حد بعيد الكيفية التي يصبح فيها سطح الشمع ناعما عندما يسخن بوساطة مدفعة حرارية. وعلى الرغم من حتى هذه التقنية عملت كما يجب، فقد كانت معقدة نوعا ما؛ لأنه قبل القيام بمسح حقل ما كان لا بد من نقل جميع البيانات التي يجب الاحتفاظ بها إلى حقل آخر. (سنشرح لاحقا كيف من الممكن أن حتى الطبيعة قدمت لنا طريقة أفضل بكثير).

بهذه المفاهيم التقريبية في أذهاننا بدأنا رحلتنا إلى مشروع متداخل الاختصاصات. وقد أعطى لنا عملنا نحن الاثنين ضمن فريق واحد تغطية قسمين من أقسام الشركة IBM، قسم الفيزياء وقسم الأجهزة. (تم دمجهما في النهاية في قسم واحد هوقسم العلوم والتقانة). كما انضم إلينا أيضا <E.إليفثيريو> وفريقه من قسم نظم الاتصالات التابع لمختبرنا. وحاليا تتعاون معنا مجموعات أخرى متعددة من ضمن الشركة IBM ومن الجامعات.

عندما تتلاقى ثقافات مختلفة، يصعب، في بداية الأمر على الأقل، منع حصول بعض من سوء التفاهم. غير أننا جنينا منافع ضخمة من جرّاء مزج وجهات نظر متباينة.

[[صورة:

مثابرة بنسبة 99 في المئة(***)

لم نكن نعد من خبراء النظم الكهرميكانيكية الميكروية، وكان الباحثون العاملون في النظم الكهرميكانيكية الميكروية والجماعات المتخصصة في تقانة مسابر المسح قد صرفوا النظر حتى ذلك الحين عن مشروعنا بحجة أنه مشروع يتسم بالرعونة. وعلى الرغم من حتى آخرين، مثل مجموعة <كويت> في جامعة ستانفورد، كانوا يعملون في تلك الأثناء على تخزين البيانات اعتمادا على مجهر المسح النفقي STM ـ أومجهر القوة الذرية AFM ـ فقد كان مشروعنا هوالمشروع الوحيد الذي وضع نصب عينيه إيجاد تكامل واسع المقياس لمسابر عديدة. وكنا نأمل حتى تُبرّأ ساحتنا إذا استطعنا حتى نعرض نموذجا بدئيا (أوليا) prototype تطبيقيا في الشهر 1/1998 خلال انعقاد ورشة العمل الدولية الحادية عشرة للجمعية الدولية للمهندسين الإلكترونيين والكهربائيين (IEEE) حول النظم الكهرميكانيكية الميكروية في هايدلبرگ بألمانيا. ولكننا عوضا عن ذلك لم نتمكن إلا من عرض نموذج بدئي (أولي) يعمل بالكاد. فقد عرضنا مصفوفة رؤوس tips أبعادها خمسة في خمسة وتبلغ مساحتها 25 مليمترا مربعا.

المشروع «ميليپيد»/ نظرة إجمالية(****)

• ▪ تقترب أجهزة التخزين الرقمية في يومنا هذا من الحدود الفيزيائية التي ستعوق أي سعة إضافية. إذا إمكانات السواقة النانوية «ميليپيد» ـ وهي جهاز ميكانيكي ميكروي (صغري) له مكونات ذات قياسات نانوية ـ قد تبدأ حيث تنتهي التقانات الحالية.

• ▪ تستخدم السواقة «ميليپيد» شبكة من أظفار صغيرة جدا لقراءة وكتابة ومحوالبيانات على وسط پوليمري. تُحِدث رؤوس الأظفار انخفاضات (نقرا) في الپلاستيك لصنع الأرقام 1؛ أما عدم وجود نقرة فيعني الرقم 0 (الأصفار).

• ▪ في غضون ثلاث سنوات، قد تتوافر أول منتجات المشروع «ميليپيد»، وهي على الأغلب بطاقات ذاكرة بحجم طابع بريدي من أجل الأجهزة الإلكترونية المحمولة.

كان هذا النموذج قادرا على إظهار تداول متواز للصور parallel imaging، غير حتى الكتابة المتوازية بوساطته أخفقت. فقد أغفلنا تفصيلا تافها لكنه أساسي؛ إذ إذا الأسلاك التي تؤدي إلى عناصر التسخين كانت معدنية ورفيعة بدرجة لا تمكّنها من تحمل التيار الذي يمر خلالها. ولذلك انصهرت في الحال مثلما تنصهر الصهيرات fuses المحمّلة بإفراط بسبب ظاهرة الهجرة الكهربائية electromigration التي تبديها الأغشية المعدنية الرقيقة. وكانت ظاهرة الهجرة الكهربائية قد وُصفت بشكل جيد في الأدبيات، وكان الأحرى بنا حتى نعهد شيئا عنها. ولم تكن تلك الغلطة هي الوحيدة التي ارتكبناها، لكن، في مجموعتنا، من السهل ارتكاب الأخطاء وتسليمها بسرعة.

كيف تعمل السواقة النانوية(*****)

يعمل النموذج البدئي (الأولي) للسواقة النانوية «ميليپيد» مثل فونوگراف (حاكٍ) صغير جدا ويستخدم رؤوسا حادة من أظفار سيليكونية صغيرة جدا لقراءة بيانات محفورة في وسط من الپوليمر. ويتكون من مصفوفة مكوّنة من 4096 ظفرا، منسقة في صفوف ورؤوسها موجهة نحوالأعلى، توصّل لضبط مجموعة الدارات الميكروية التي تحول المعلومات المكودة في الحفر التماثلية (غير الرقمية) analog إلى دفق من البتات الرقمية digital. يُعلق الپوليمر على منضدة مسح بوساطة نوابض ورقية سيليكونية تسمح لمغانط صغيرة جدا (لا تظهر في الشكل) ولملفات كهرمغنطيسية بتدوير وسط التخزين في سطح مستو، في حين تظل مستوية فوق الرؤوس. تلامس الرؤوس الپلاستيك لأن الأظفار تنثني نحوالأعلى بأقل من ميكرون واحد.

كتابة بتة

باستخدام الحرارة والقوة الميكانيكية، تصنع الرؤوس حفرا مخروطية في مسالك خطية تمثل سلاسل من الأرقام 1. لصنع حفرة، ينتقل التيار الكهربائي عبر الظفر، مسخنا عند طرفه منطقة من السيليكون عالية الإشابة، إلى 400 درجة مئوية، الأمر الذي يسمح لبنية الظفر مسبقة الإجهاد بالانثناء في الپوليمر. إذا غياب الحفرة يعني الرقم 0.

محوبتة

يقوم أحدث نموذج بدئي (أولي) للسواقة «ميليپيد» بمحوبتة موجودة عن طريق تسخين الرأس إلى درجة حرارة 400 مئوية ثم تشكيل حفرة أخرى إلى جوار الحفرة السابقة تماما، وبالتالي ملؤها [كما في الشكل]. تتضمن طريقة بديلة للمحوإدخال الرأس الساخن إلى حفرة ما، الأمر الذي يجعل الپلاستيك يرتد من حديث كنابض إلى شكله الأصلي المستوي.

قراءة بتّ

لقراءة البيانات، تسخن الرؤوس في البداية إلى درجة حرارة 300 مئوية. عندما يقابل رأس ماسح حفرة ويدخلها (في الأسفل) ينقل الحرارة إلى الپلاستيك. تنخفض تبعا لذلك درجة حرارته ومقاومته الكهربائية، لكن المقاومة الكهربائية تنخفض فقط بمقدار ضئيل، أي بجزء واحد من ألف. يقوم معالج إشارة رقمي بتحويل إشارة الخرج هذه، أوغياب هذه الإشارة، إلى دفق بيانات [أقصى اليسار].

وعلى الرغم من تلك النكسات التي تعرضنا لها، فقد أحس مديرومختبرنا بحصول تقدم عملي، وسمحوا لنا بزيادة حجم فريقنا إلى ثمانية أشخاص. وكنا قد تفهمنا من مصفوفة الخمسة والعشرين رأسا أنه يتعين علينا الاستعاضة عن تمديدات أسلاك الألمنيوم ـ وهوما قمنا به عملا حيث استعضنا عنها بأظفار سيليكونية عالية الإشابة highly doped. كما تبين لنا أيضا أنه يمكن تسوية مصفوفة الرؤوس تحت وسط التخزين بدرجة عالية من الدقة ضمن مساحة واسعة نسبيا، وهذا منحنا ثقة كافية للانتنطق في الحال إلى مصفوفة أكبر.

وبينما كان <ڤيتيگر> يلقي محاضرة في مختبر ألمادن التابع للشركة IBM في الشهر 5/1998تنبّه إلى وجود معضلة خطرة واحدة. ولقد كان بصدد وصف الكيفية التي تترتب بها الأظفار في صفوف وأعمدة منتظمة تتصل جميعها بشبكة من الأسلاك الكهربائية. إلا أنه خلال شرحه لكيفية عمل هذا النظام، لاحظ فجأة أنه لن يعمل؛ إذ لا شيء سيحول دون وصول التيار الكهربائي في اللحظة ذاتها إلى جميع الأمكنة، ومن ثم لن تكون هناك طريقة لإرسال إشارة إلى ظفر إفرادي معين بشكل موثوق.

رفض الباحثون في النظم الكهرميكانيكية الميكروية وجماعات تقانة

مسابر المسح مشروعنا بحجة أنه مشروع يتسم بالرعونة.

والواقع إذا السريان غير القابل للتحكم لتيار كهربائي هوظاهرة معروفة جدا عند توجيه عناصر إحدى المصفوفات من خلال الأعمدة والصفوف. ويتمثل أحد الحلول الشائعة في إلحاق مفتاح ترانزستوري بكل عنصر. غير حتى وضع الترانزستورات على الشيپة نفسها عند مواضع الرؤوس لم يكن خيارا ممكنا، نظرا إلى حتى شحذ الرؤوس يجب حتى يتم تحت حرارة شديدة قادرة على إتلاف الترانزستورات الصغيرة. لذلك عدنا إلى المختبر وجربنا جميع أصناف الحيل لتحسين درجة التحكم في سريان التيار. لم تعجب أي منها <ڤيتيگر>؛ إذ إنه حدثا كانت المصفوفة أكبر، كان هذا الخلل أكثر خطورة. وقد أظهرت الحسابات والمحاكاة السريعة التي قام بها <.دوريگ> [التابع لفريقنا] أنه إذا أخذنا مصفوفة تحتوي على 1000 عنصر، فإن توجيه بعض الأظفار الإفرادية بهدف الكتابة سيظل أمرا ممكنا، غير حتى قراءة الإشارات الصغيرة الصادرة عن الأظفار الفردية لن يخط لها النجاح.

مزيد من الرؤوس في حيّز صغير(******)

تطوّر النموذج البدئي (الأولي): بينما كان الجيل الأول من شيپة «ميليپيد» يحتوي على مصفوفة من 25 ظفرا في مربع طول ضلعه خمسة مليمترات (في الأسفل)، تضمن النموذج التالي (في اليسار) 1024 ظفرا في مربع أصغر طول ضلعه ثلاثة مليمترات.

في تلك الليلة نام <ڤيتيگر> نوما سيئا وكان مغتاظا جدا. وكان فريقه على وشك إكمال تصميم شيپة لمصفوفة من 1024 رأسا، فطلب <ڤيتيگر> إليهم التريث. وقد عانى الفريق من هذه المشكلة عذابا شديدا دام عدة أيام إلى حتى عثر <ڤيتيگر> و<M.ديسپونت> حلا عمليا لها، يتمثل بوضع ديود (صمام ثنائي) شوتكي Schottky (ممر كهربائي باتجاه واحد) إلى جانب جميع ظفر؛ إذ إذا هذه الأداة اللاخطية يفترض أن توقف إلى حد بعيد سريان التيارات غير المرغوب فيها نحوالأظفار الأخرى. بعدها أعدنا التصميم وسرعان ما حصلنا على مصفوفة رؤوس أبعادها 32 x 32، وكان هذا هونموذجنا البدئي الثاني(4).

كان هذا النموذج البدئي بمثابة مرشد على نجاح الكثير من أفكارنا. وقد خرجت جميع أظفار المصفوفة البالغ عددها 1024 سليمة وانحنت بالمقدار السليم بالضبط بحيث أعطت الكمية السليمة من القوة عند مزاوجتها مع وسط پوليمري لين يدعى PMMA، جرى هجريبه على شيپة مستقلة تدعى منضدة المسح. وقد استطاعت الملفات coils النحاسية الكهرمغنطيسية الموضوعة خلف منضدة المسح حتى تمنع سطح مادة PMMA من حتى يميل كثيرا أثناء دورانه إلى اليسار وإلى اليمين وإلى الخلف وإلى الأمام فوق رؤوس الظفر. (منذ ذلك الحين تمكّن جهاز مسح حديث للوسط صممه جميع من <M.لانتز> و<H.روثيزن> من تخفيض الحساسية للاهتزاز التي كانت تعتبر معضلة حينذاك). وكان لكل ظفر يبلغ طوله 50 ميكرونا مقاوم صغير في طرفه. كما حتى نبضة كهربائية ترسل خلال الرأس كانت تسخنه حتى درجة 400 مئوية لبضعة ميكروثوان(5).

كانت النتائج الأولية لنموذجنا البدئي الثاني مشجّعة. فقد عمل أكثر من 80 في المئة من الأظفار البالغ عددها 1024 بشكل ملائم منذ المحاولة الأولى، وكانت هناك منطقة «مظلمة» ضيقة واحدة فقط تعبر مركز حقل التخزين، نتجت من التواء twisting الشيپة أثناء هجريبها. لم نتسقط مثل هذا النجاح في هذه الفترة المبكرة من المشروع حتى في أكثر أحلامنا تطرفا.

من البحث إلى التطوير(*******)

في الأداةخمسة 5x مليمترات، كان جميع ظفر مزودا عند قاعدته بمجس كهرضغطي piezoresistive sensor يحوِّل الانفعال strain أوالتشوه الميكانيكي إلى تغير في المقاومة، مما يسمح للمنظومة بتحديد اللحظة التي يسقط أثناءها الرأس في حفرة ـ وهذا يقابل الرقم 1. وباشرنا في تقصي طرق لكشف الحُفر بشكل أكثر تحديدا. فأجرينا اختبارات كانت فيها ديودات شوتكي مدموجة في الأظفار، آملين حتى يعمل التشوه على تغيير مقاومتها. ولسبب من الأسباب، لم تُبد الديودات الخصائص المتسقطة. غير أننا لاحظنا وجود إشارة قوية عند استشعار إحدى البتات. وبعد تفكير عميق، عثرنا على السبب المذهل وتبين لنا أنه ظاهرة حرارية. فإذا ما سخّن الظفر تسخينا مسبقا إلى درجة حرارة 300 مئوية، وهي درجة غير كافية تماما لإحداث نقرة، تنخفض مقاومته الكهربائية بشكل ملحوظ عندما يسقط الرأس في الحفرة (انظر الشكل في الصفحة 65). لم يكن يخطر ببالنا قط حتى نستخدم المفعول الحراري لقياس حركة أوانحراف أوموضع. فالقيام بذلك على المقاييس الضخمة macro scales سيكون بطيئا جدا وغير موثوق بسبب الحَمل الحراري convection ـ أي الحركة الدورانية التي تحصل في وسط مائع، هوفي هذه الحالة الهواء ـ الذي يحدث عندما تنتقل الحرارة بين جسمين في درجتي حرارة مختلفتين. غير حتى هذا الاضطراب لا يوجد على المقياس الصغير micro scale، لأن الأجسام الحارة والباردة تصل إلى حالة التوازن خلال بضعة ميكروثوان.

كانت هذه النتيجة مفيدة جدا على الرغم من عدم تسقطها. فقد صار باستطاعتنا الآن حتى نستخدم عنصر التسخين نفسه على جميع ظفر لقراءة البتات وكتابتها على حد سواء. وعوضا عن ثلاثة أوأربعة أسلاك للظفر الواحد، لن نحتاج هنا إلا إلى سلكين فقط.

لقد عرضنا هذا النموذج البدئي الثاني في مؤتمر جمعية المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين IEEE حول النظم الكهرميكانيكية الميكروية عام 1999. وهذه المرة، كان الباحثون الآخرون الحاضرون أكثر اقتناعا. لكن الأمر الذي أثار عملا الإدارة العليا في الشركة IBM كان صور صفوف الحُفر المنتظمة التي قامت أظفار السواقة «ميليپيد» بكتابتها على الپوليمر. فقد كانت المسافات التي تفصل بين الحفر تساوي 40 نانومترا فقط ـ أي إذا كثافة الحفر كانت أكبر بثلاثين مرة من كثافتها في أفضل سوّاقة أقراص ثابتة متوافرة في الأسواق.

مع أننا نحن الفهماء لم نعد نعتبر هذا المشروع مشروعا عالي الخطورة،

فمازلنا نبتهج عندما يعمل بنجاح نموذج بدئي (أولي) جديد.

بعد ذلك بوقت قصير، أي في أوائل العام 2000، غيّر مشروع «ميليپيد» توجهه. فقد بدأنا نركز أكثر على إنتاج نموذج بدئي (أولي) لنظام التخزين. وقد كبر الفريق ووصل عدد أفراده إلى نحو12 باحثا. وللمرة الثانية دمجنا قسمين معا، كما انضم إلينا <إلفثيريو> وفريقه. وقد أسهم هؤلاء بخبرتهم الفريدة في تقانة قنوات الإنضمام recording channel التي كانوا يطبقونها بنجاح كبير في الإنضمام المغنطيسي، فباشروا في تطوير الجزء الإلكتروني من نظام وظيفي تام لنموذج بدئي (أولي) ـ ابتداء بالمعالجة الأساسية للإشارة وتكويد تسليم الأخطاء error-correction coding وانتهاء بالهندسة الكاملة للنظام والتحكم فيه.

وكنا قد اكتشفنا للتوطريقة لمحورقعة صغيرة. وبالتعاون مع <إلفثيريو> تمكنا حتى من تحويلها إلى نظام لاقد يكون المحومطلوبا فيه قبل بدء الإحلال (الكتابة الفوقية) overwriting. ففي طريقة المحوالموضعي الجديدة، عندما تكون درجة حرارة الرأس عالية بما يكفي لتليين المادة، فإن التوتر السطحي للپوليمر ونابضيته springiness يجعلان الحفرة ترتفع من جديد. وعوضا عن تلدين annealing حقل أكبر باستخدام سخان مدمج في ركازة التخزين storage substrate ـ كما هي الحال في طريقة المحوالكاملة التي تجاوز وصفها ـ فإن الرأس هنا يقوم بتسخين الوسط تسخينا موضعيا. ونظرا إلى وجود قوى كهربائية ساكنة (إلكتروستاتية)، يصعب تحاشي حدوث قوة تحميل معينة على الرأس. ولذلك فعندما يتم تسخين الرأس إلى درجة حرارة عالية بقدر كاف وتنشأ من جراء ذلك نقرة جديدة، تمحى البتات القديمة الموجودة في جوار الرأس في الوقت نفسه. فإذا ما خط سطر من الحفر بشكل مكثف، فسوف تقوم جميع بتة أنشئت حديثا بإزالة البتة السابقة لها، فلا يتبقى إلا البتة الأخيرة في السطر. يمكن استعمال هذه الطريقة حتى في كتابة رمز حديث فوق بيانات قديمة من دون فهم نوع تلك البيانات القديمة. إذا مزاوجة خبرتنا في الفيزياء مع خبرة <إلفثيريو> في قنوات الإنضمام سمحت لنا بتطوير شكل خاص من التكويد المقيّد constrained coding لمثل هذه الكتابة الفوقية المباشرة.

عند هذا الحد، بدا واضحا حتى الفريق يحتاج إلى حتى يركز جهوده على زيادة كفاءة السواقة «مليپيد» من حيث السرعة والقدرة. كان علينا حتى نبدأ بقياس نسبة الإشارة إلى الضجيج signal-to-noise ratio، ومعدلات أخطاء البتات bit error rates، ومؤشرات أخرى عن مدى جودة السوّاقة النانوية في تسجيل البيانات الرقمية. وكان علينا حتى نختار للسواقة النانوية حجما وشكلا معينين. فقد يحدث لـ «عامل الشكل» أهمية كبرى في الأسواق الاستهلاكية الإلكترونية، وبخاصة في مجال أجهزة الهاتف المحمولة التي قررنا حتى نبدأ عملنا بها.

الطريق قُدُما إلى الأمام(********)

خلال الأشهر الأخيرة من عام 2002، تمكن فريقنا من وضع اللمسات الأخيرة على النموذج البدئي (الأولي) للجيل الثالث، الذي يحتوي على 4096 ظفرا مرتّبة في مصفوفة x 64 64 يبلغ طول ضلعها 6.4 مليمتر. والجدير بالذكر حتى تكديس عدد أكبر من الأظفار على الشيپة يعتبر تحديا بحد ذاته لكنه ظل قابلا للتحقيق. وبإمكاننا اليوم حتى نصنع شيپات تحتوي على مليون ظفر، كما يمكننا حتى نصنع 250 من هذه المصفوفات من رقيقة سيليكون قياسية بقياس 200 مليمتر. وتكمن المهمة الرئيسية الآن في الوصول إلى توازن سليم بين أمنيتين. أولا، يجب على تصميمنا لمنظومة السوّاقة النانوية الكاملة ـ ليس المصفوفة ومنضدة المسح فحسب وإنما أيضا الأجهزة الإلكترونية الميكروية المدمجة بها والتي تتحكم فيهما ـ حتى تكون رخيصة الثمن إلى حد يجعلها جاهزة للمنافسة الفورية، وأن تكون قابلة للعمل على طاقة منخفضة، وبخاصة الأجهزة المحمولة باليد. ولكن من الضروري بمكان حتى تتمكن هذه السواقة من العمل بشكل يمكن الاعتماد عليه على الرغم من التلف الذي يصيبها خلال سنوات من الاستخدام المتواصل.

لقد وجدنا پوليمرات تعمل بشكل أفضل حتى من الپوليمر PMMA. ففي هذا النوع من اللدائن، تبدوالحفر مستقرة لمدة ثلاث سنوات على الأقل، ويمكن حتى نخط على بقعة مفردة في المصفوفة ونمحوها 000 100مرة أوأكثر. لكننا لسنا واثقين جدا من مدى تحمّل الرؤوس بعد حتى تحفر 100 بليون نقرة خلال عدة سنوات من التشغيل. وحاليا يعمل <D.گوتسمان> و<.B گوتسمان> [من فريقنا] مع زملاء في مختبر «ألمادن» التابع للشركة IBM على تطوير الپوليمرات الحالية أوإيجاد پوليمرات جديدة تتناسب مع متطلبات تطبيقنا الخاص بخزن البيانات.

وعلى الرغم من حتى عين الإنسان المجردة التي تمسح صورة لوسط تخزين السواقة «ميليپيد» تستطيع حتى تتبين بسهولة مواضع الحفر في الشبكة والمواضع التي تخلومنها، فإن تصميم دارات إلكترونية بسيطة تقوم بنفس الوظيفة بدقة شبه كاملة ليس بالأمر الهيّن. ذلك حتى كشف البتات التي تمثل 0 (الأصفار) والبتات التي تمثل 1 (الآحاد)قد يكون أسهل بكثير إذا كان عمق جميع الحفر متساويا وكانت المسافة بينها متساوية على مسالك مستقيمة. ومعنى ذلك أنه يجب حتى تكون منضدة المسح مسطحة، وأن تظل موازية للرؤوس، وأن تُدار بسرعة ثابتة في حركة خطية ـ وكل ذلك ضمن دقة لا تتعدى بضعة نانومترات. وقد تفهمنا في الآونة الأخيرة أننا إذا علَّقنا طاولة المسح بوساطة نوابض ورقية(6) رفيعة مصنوعة من السيليكون، فإننا نحصل على تحكم أفضل بكثير في حركتها. ومع ذلك، فسوف نضيف نظام تغذية مرتدة (تلقيم راجع) فعالاقد يكون حساسا جدا لوضعية قسمي السواقة أحدهما بالنسبة إلى الآخر لكي يستوعب التفاوتات النانونية المسموحة فيما لواصطدم الجهاز المركب على حزام إنسان مهرول بكل ما يوجد حوله.

يجب على أي نظام ميكانيكي يولِّد حرارة كنظام السواقة «ميليپيد» حتى يتأقلم مع التمدد الحراري. وإذا ما اختلفت درجة حرارة وسط الپوليمر عن درجة حرارة الأظفار السيليكونية بما يزيد على درجة مئوية واحدة، فإن محاذاة البتات لن تظل متلائمة مع تلك العائدة للرؤوس. إذا أي نظام تغذية مرتدة هدفه تسليم سوء المحاذاة سيزيد من تعقيد الجهاز وبالتالي تكلفته. ونحن لسنا متأكدين حتى الآن من طبيعة الحل الأفضل لهذه المشكلة. ولحسن الحظ، فقد مدّت لنا الطبيعة مرة أخرى يد المساعدة. فكل من السواقة «ميليپيد» وركازة التخزين الحاملة لغشاء الپوليمر مصنوعة من السيليكون، وبالتالي يفترض أن تتمددان بنفس المقدار إذا كانت درجتا حرارتيهما متساويتين. إضافة إلى ذلك، فإن الفجوة بين مصفوفة الرؤوس والركازة صغيرة جدا بحيث يلعب الهواء المحصور بينهما دور ناقل ممتاز للحرارة، مما يحول دون حدوث فرق حراري بينهما.

مشروعات الذاكرة ذات الكثافة العالية(*********)

يعد المشروع «مليپيد» العائد للشركة IBM واحدا فحسب من عدة جهود تبذل لإيصال الذاكرات الحاسوبية المدمجة ذات الكثافة العالية إلى السوق.

الشركة تقانة الجهاز سعة الذاكرة الترويج التجاري

Hewlett-Packard

پالوألتو، كاليفورنيا جهاز يعتمد على مجهر القوة الذرية AFM بحجم ظفر الإبهام يستخدم أشعة إلكترونات في قراءة البيانات وكتابتها في منطقة الإنضمام في البداية، جيگابايت واحد (GB) على الأقل نهاية العقد

Hitachi

طوكيو جهاز يعتمد على مجهر القوة الذرية AFM، لم تكشف تفاصيله لم يكشف النقاب عنها لم يكشف النقاب عنه

Nanochip

أوكلاند، كاليفورنيا Seagate Technology سكوتس ڤالي، كاليفورنيا مصفوفة أظفار تعتمد على رؤوس مجهر القوة الذرية AFM تخزن بيانات في شيپّة سيليكونية

نصف جيگابايت في البداية، هناك إمكانية ل50 جيگابايت في المستقبل متسقط في عام 2004

Royal Philips Electronics أيندهوڤن، هولندة

نظام ضوئي شبيه بالأقراص المدمجة CD القابلة لإعادة الإنضمام، يستخدم ليزرا أزرق في تسجيل البيانات وقراءتها على قرص عرضه ثلاثة سنتيمترات لغاية جيگابايت واحد لكل وجه، من الممكن أربعة جيگابايت GB ككل متسقط في عام 2004

نظام قابل للإحلال (الكتابة مجددا) باستخدام مجهر القوة الذرية AFM أوطريقة أخرى يعمل على شيپة حجمها سنتيمتر واحد ما يصل إلىعشرة جيگابايت على شيبة من أجل الأجهزة المحمولة

متسقط في عام 2006 أوبعد هذا التاريخ

وبما حتى المشروع قد نضج الآن إلى درجة تمكننا من مباشرة المراحل الأولى نحوتطوير المنتج، فقد انضم إلى فريقنا <R.T.ألبرخت>، وهوخبير بتقانة تخزين البيانات من مختبر «ألمادن» التابع للشركة IBM، وكان قد أسهم في رعاية السوّاقة الميكروية Microdrive التي أنتجتها الشركة IBM حتى بلوغها الأسواق؛ ذلك حتى إيصال السواقة الميكروية من المختبر إلى المستهلك كانت رحلة أشبه بما سيقابله مشروع «ميليپيد» في السنوات القليلة القادمة. وبالنسبة إلى أعضاء مجموعتنا، فإن الانتنطق إلى فترة تطوير المنتج يعني أننا يفترض أن نعهد بمشروع ميليپيد أكثر فأكثر إلى أيدي الآخرين. لا ريب حتى التنحي يشكل الجزء الأصعب من العملية، إلا أنه في الوقت نفسه الجزء الأكثر أهمية لنجاح المشروع. في الحقيقة، لسنا حتى الآن متأكدين من حتى برنامج السواقة ميليپيد سيتمخض عن جهاز تجاري. وعلى الرغم من أننا ـ نحن الفهماء ـ لم نعد نعتبر هذا المشروع مشروعا عالي الخطورة، لكننا مازلنا نفرح عندما يعمل نموذج بدئي (أولي) حديث بنجاح. وإذا ما حالفنا الحظ، فإن أحدث نماذجنا البدئية (الأولى) ستعاني مشكلات يعهد فريقنا كيف من الممكن أن يصلحها.

وعلى أي حال، فإننا سعيدون جدا لأن هذه التقانة الميكانيكية النانوية قد تسمح على الأقل للباحثين، ولأول مرة، بمسح سنتيمتر مربع واحد من مادة بميز resolution يقارب الميز الذري. لقد تمخض المشروع حتى الآن عما يقارب 30 براءة اختراع أساسية. ولا أحد يفهم ما إذا كانت السواقات النانوية ستنجح في السوق؛ لكنها ستكون طائفة جديدة من الآلات التي تصلح لعمل ما، وهذا ما يشكل بالنسبة إلينا مكافأة عظيمة.

المؤلفان

Peter Vettiger - Gerd Binning

تعاونا بشكل واسع لصقل تقانات مفهوم السواقة النانوية «ميليپيد». ڤيتيگر له سيرة مهنية طويلة كخبير في تقانة التصنيع الميكروي والتصنيع النانوي. وكان قد انضم إلى مختبر أبحاث IBM في زوريخ عام 1963، وتخرج عام 1965 بحصوله على شهادة في تقانة الاتصالات وهندسة الإلكترونيات من جامعة زوريخ للعلوم التطبيقية. وتوجت مسيرته الأكاديمية بمنحه الدكتوراه الفخرية عام 2001 من جامعة بازل. أما بينيگ فقد حصل على الدكتوراه في الفيزياء من جامعة يوهان ولفگانگ غوته في فرانكفورت بألمانيا عام 1978، وانضم إلى مختبر زوريخ في العام نفسه. ومن أبرز الجوائز التي حصل عليها لإنجازاته الفهمية جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986، وقد حصل عليها مناصفة مع <H.رورر> بسبب اختراع مجهر المسح النفقي.

مراجع للاستزادة

In Touch with Atoms. Gerd Binnig and Heinrich Rohrer in Reviews of Modern Physics, Vol. 71, No. 2, pages 5324-5330; March 1999.

The "Millipede"-Nanotechnology Entering Data Storage. P. Vettiger, G. Cross, M. Despont, U. Drechsler, U. Durig, B. Gotsmann, W. Haberle, M. A. Lantz, H. E. Rothuizen, R. Stutz and G. Binnig in IEEE Transactions on Nanotechnology, Vol. 1, No. 1, pages 39-55; March 2002.

For more about nanotechnology in IBM Research and elsewhere, see

www.research.ibm.com/pics/nanotech/

Scientific American, January 2003

(*) THE NANODRIVE PROJECT

(**)A Crazy Idea

(***) Percent Perspiration… 99

(****) overview/millipede project

(*****)How The Nanodrive Works

(******) Form R to D

(*******) More Tips in a Smaller Space

(********) The Road Ahead

(*********) High-Density Memory Projects

(1) مليون بايت، البايت مختصر binary term، وحدة معلومات تتألف منثمانية بتات في معظم الأحيان.

(2) نوع من الذاكرات غير المتلاشية nonvolatile. وتستخدم عموما مكملا أوبديلا من الأقراص الثابتة (الصلبة) في الحواسيب المحمولة.

(3) ج: بتة bit، وهذه مختصر binary digit، أصغر وحدة معلومات يعالجها الحاسوب. تعبِّر البتة عن الرقم 1 أو0 في العدد الثنائي، أوعن الصواب أوالخطأ في الحالة المنطقية. (التحرير)

(4)ظفر أي كابول cantilever.

(5) second prototype

(6) الميكروثانية microsecond تساوي جزءا من مليون من الثانية. (التحرير)

(7) leaf springs