إن فتح العالم الذري يكشف عن إمكانيات بحثية جديدة

ما يميز جامعة واترلو هو التزامنا بالتعاون عبر التخصصات التي تجمع الخبرات من جميع أنحاء الحرم الجامعي لدفع الابتكار.

تقع تقنية المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) المتطورة في واترلو في قلب الأبحاث الرائدة في مجالات متعددة، بدءًا من الحوسبة العصبية وحتى تكنولوجيا البطاريات المتقدمة. كجزء من مرفق تصنيع وتوصيف الكم النانوي (QNFCF)، يعد TEM أداة قوية متاحة لمجتمع البحث، مما يتيح استكشاف المواد على المستوى الذري. تسمح قدرة التصوير هذه للباحثين بتصور التفاصيل في المواد، وفتح الرؤى الأساسية للتحديات العلمية التي يواجهونها.

الحوسبة العصبية

ربيع الإسلام، طالب الدكتوراه في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات، وفريقه يعملون على تطوير أبحاث الحوسبة العصبية من خلال الاستفادة من قدرات TEM. يقوم إسلام بتطوير جهاز مستوحى من البنية الفريدة للدماغ البشري، والذي يدمج بين وظائف الذاكرة والمعالجة. يسعى هذا النهج المبتكر إلى معالجة القيود المفروضة على نماذج الحوسبة التقليدية التي تفصل بين الذاكرة والمعالجة. يمكن أن يسبب هذا الفصل تأخيرات وزيادة استخدام الطاقة.

ويتكون جهاز إسلام من أكسيد التيتانيوم وأوكسينيتريد الفوسفور الليثيوم. وهو مصمم لتقليد سلوك المشابك العصبية، وهي الروابط بين الخلايا العصبية في الدماغ. يمكن للجهاز التبديل بين حالتين من الذاكرة: “المتقلبة”، حيث يتم الاحتفاظ بالمعلومات بشكل مؤقت، و”غير المتطايرة”، حيث يتم تخزين المعلومات على المدى الطويل – مما يعكس وظائف الذاكرة قصيرة المدى وطويلة المدى للدماغ.

يقول إسلام: “كان عرض الذاكرة قصيرة المدى وطويلة المدى في جهاز واحد بمثابة عنق الزجاجة الرئيسي في تحقيق منصة حوسبة عصبية منخفضة التكلفة”. “وأخيرا، جعلنا هذا ممكنا.”

يلعب تصوير TEM دورًا حيويًا في هذا البحث، مما يسمح لإسلام وفريقه بتصور بلورة المواد في الجهاز المقترح كما تم ترسيبها وبعد آلاف الدورات من ظروف التبديل. بالإضافة إلى ذلك، يساعد رسم الخرائط الطيفية لفقد طاقة الإلكترون في اكتشاف أي تلوث في الجهاز. تتيح هذه الرؤى إمكانية ضبط قدرة الجهاز على معالجة المعلومات وتخزينها بكفاءة. ومن خلال دراسة التغيرات في ترتيب المواد وتركيب العناصر في الجهاز، يستطيع إسلام التكيف لتحسين الأداء.

تطبيقات أخرى لتقنية TEM

يدعم هذا المرفق عالي التقنية الأبحاث المتنوعة في تكنولوجيا أشباه الموصلات والمواد الكمومية وعلوم المواد، مما يتيح تحقيق اختراقات يمكن أن تحول الصناعات.

في مجال تكنولوجيا البطاريات، يمكن للباحثين استخدام TEM لمراقبة التغيرات على المستوى الذري في المواد أثناء دورات الشحن، مما يساعد على إنشاء بطاريات ذات سعة أعلى، وشحن أسرع، وعمر أطول. في المواد الكمومية، يساعد TEM في اكتشاف المواد التي يمكنها تطوير الحوسبة الكمومية والتكنولوجيا الموفرة للطاقة.

احتفلت واترلو مؤخرًا بمرور عام على تعزيز قدرات TEM من خلال منزل مفتوح استضافه QNFCF بالتعاون مع شركة Transformative Quantum Technologies.

قام الحاضرون بجولة في المنشأة، واستكشفوا قدرات TEM وتعلموا كيفية الوصول إليها لإجراء أبحاثهم من خلال جلسات تغطي إعداد العينات، وتحليل البيانات، والعروض التوضيحية الحية، مما يوفر نظرة عامة عالية المستوى على أداة البحث القوية هذه. عزز هذا الحدث التعاون وتبادل المعرفة بين الطلاب وأعضاء هيئة التدريس والباحثين – مع التركيز على نهج واترلو الذي يركز على المجتمع لدعم الابتكار والاكتشاف.

يوفر إدخال تقنية TEM في واترلو فرصًا جديدة ومثيرة للبحث والاكتشاف الذي يمكن أن يحدث هنا في الحرم الجامعي.

“إننا نحقق النجاح عندما نقوم بتقليل العوائق التي تحول دون الوصول إلى أدوات قوية مثل TEM، ولكن لا يمكنك مجرد “تشغيل المفتاح” والحصول على نتائج رائدة من هذا النظام. يتطلب TEM قدرًا كبيرًا من التدريب والدعم لتحقيق أقصى استفادة “يقول الدكتور ناثان نيلسون فيتزباتريك، مدير منشأة تصنيع وتوصيف الكم النانوي. “أنا فخور بـ Nicki Shaw، وفريق QNFCF الذي يدعم TEM ومجتمع المستخدمين المتفانين الذين عادوا مرارًا وتكرارًا خلال العام الماضي لدفع حدود الاكتشاف في هذه الأداة.”

ومن خلال مرافق مثل QNFCF، تتمتع واترلو بموقع جيد لقيادة الأبحاث التحويلية التي ستؤثر على صناعات متنوعة مثل الحوسبة وتخزين الطاقة والصحة.

أصبحت منشأة TEM ممكنة بتمويل من المؤسسة الكندية للابتكار وتقنيات الكم التحويلية. ومن خلال توفير الوصول إلى الأدوات المتقدمة وتعزيز التعاون بين الخبراء، تعمل واترلو على تمكين الجيل القادم من العلماء والمهندسين من تحقيق اختراقات يمكن أن تشكل مستقبلنا العالمي الجماعي.

جوردان فليمنج