علماء JNCASR مرروا موجات التيراهرتز عبر حاجز مهندَس على شريحة سيليكون بفقد بين 1 و3 في المئة ونقلوا بيانات بسرعة تصل إلى 100 غيغابت في الثانية، في خطوة نحو دوائر الجيل السادس

بنى باحثون في مركز جواهرلال نهرو للأبحاث العلمية المتقدمة (JNCASR) في بنغالورو شريحة سيليكون تعبر عليها موجات التيراهرتز حاجزا وُضع عمدا بفقد نحو 1 إلى 2 في المئة. وحين يتبعه حاجز ثان يصل الفقد إلى نحو 2 إلى 3 في المئة. وعلى أحد أجهزة الاختبار الثلاثة، وهو مقسّم قدرة في أحد فرعيه حاجز، نقلت الشريحة بيانات بسرعة 100 غيغابت في الثانية. والمركز معهد مستقل يتبع وزارة العلوم والتكنولوجيا، التي أعلنت النتيجة عبر مكتب معلومات الصحافة (PIB) في 4 نوفمبر 2026. ونُشر العمل في مجلة Advanced Materials.

ما الذي تفعله الشريحة

تقع موجات التيراهرتز في الطيف بين الموجات الميكروية والضوء تحت الأحمر. ويقول بيان PIB إن شبكات الجيل السادس (6G) اللاسلكية المقبلة يُتوقع أن تستخدم هذه الترددات لأنها توفر نطاقا ترددياً واسعا. والصعوبة في تمرير هذه الموجات داخل دائرة صغيرة: فالانحناءات والتفرعات والتغيرات المفاجئة في دليل الموجة (القناة التي توجه الموجة) تشتت جزءا من الإشارة أو تعكسه.

وتصف صفحة JNCASR البحثية الخاصة بالمجموعة المشكلة نفسها، وتعدّ خسائر الانعكاس والتشتت عند الانحناءات الحادة أو العيوب عقبة أمام أجهزة التيراهرتز على الشريحة. وجواب المجموعة هو الفوتونيات الطوبولوجية، وهي فرع من البصريات تقاوم فيه الموجة المنتقلة على الحدّ بين منطقتين مبنيتين بشكل مختلف أنواعا معينة من الارتداد الخلفي.

ثقوب مثلثة وحاجز من الهندسة

حفر الفريق ثقوبا مثلثة في لوح من السيليكون بنمط يحاكي الشبكة السداسية للغرافين. وتلتقي منطقتان بحجمي ثقوب مختلفين قليلا عند حدّ، وتنتقل موجات التيراهرتز على طول هذا الحدّ. ثم صنع الباحثون الحاجز بتغيير أحجام الثقوب على مسافة قصيرة من دليل الموجة.

ويقول بيان PIB إن حاجزا مماثلا في دليل موجة تقليدي غير طوبولوجي يقلل النفاذ بدرجة ملحوظة. أما على شريحة JNCASR فبقي النفاذ قريبا من مستواه دون حاجز ما دامت قوة الحاجز دون قوة اقتران مميزة للبلورة. ولأن الحاجز يتحدد بهندسة الثقوب وحدها، يصف البيان ذلك بأنه قاعدة تصميم عملية.

ويسمي البيان في تعليق على أحد الأشكال الظاهرة الكامنة وراء ذلك نفقَ كلاين الفوتوني. ويعرف الفيزيائيون مفارقة كلاين بأنها المرور التام لجسيمات نسبوية عبر حواجز عالية، وتصفها ورقة منشورة عام 2022 في Physical Review Letters بأنها مسؤولة عن خصائص التوصيل الاستثنائية للغرافين. وكانت نسخة أولية من عام 2017 قد وصفت نفق كلاين أحادي الاتجاه للضوء في العوازل الطوبولوجية الفوتونية، وأفادت ورقة Physical Review Letters بنفاذ كلاين تام في منظومة فوتونية ثنائية الأبعاد، مستخدمة بخار ذرات لا شريحة.

ثلاثة أجهزة وثلاثة معدلات بيانات

صُنعت الأجهزة الثلاثة كلها على سيليكون عالي المقاومية، يصفه البيان بأنه متوافق مع تصنيع أشباه الموصلات القائم. وتطابقت القياسات عبر النطاق من 310 إلى 360 غيغاهرتز تطابقا وثيقا مع المحاكاة. وبحسب البيان:

• حاجزان متتاليان: 48 غيغابت في الثانية في اختبار البيانات عالي السرعة.
• مسار على شكل أوميغا بأربعة انحناءات حادة وحاجز في الوسط: 60 غيغابت في الثانية.
• مقسّم قدرة بحاجز في أحد فرعيه: 100 غيغابت في الثانية باستخدام التضمين QAM-32، وهو أسلوب يرمّز المعلومات في سعة الإشارة وطورها.

وفي المقسّم كانت إشارتا الخرج متطابقتين تقريبا، وهو ما يقرؤه البيان دليلا على أن الحاجز كان أثره ضئيلا في النفاذ. ويضيف البيان أنه بسرعة 100 غيغابت في الثانية يمكن من حيث المبدأ نقل فيلم عالي الوضوح بحجم 5 غيغابايت في أقل من نصف ثانية.

المختبر الذي يقف وراءه

قاد الدراسة الدكتور أبهيشك كومار، الأستاذ المساعد في JNCASR، الذي يدير فيه مختبر البصريات الفائقة (Meta Optics Laboratory). وسامينا مولا وسانغرام كومار ساد من JNCASR هما المؤلفان الأولان المشتركان. أما المتعاونون المذكورون في البيان فمن IISER كولكاتا وIIT بومباي ومعهد الإلكترونيات الدقيقة في A*STAR بسنغافورة وجامعة ليل والمركز الوطني للبحث العلمي (CNRS) في فرنسا، إلى جانب باحثين آخرين من JNCASR.

ويذكر ملف كومار في JNCASR أنه أنهى برنامج BS-MS المتكامل في IISER كولكاتا عام 2016، ونال الدكتوراه في الفيزياء والفيزياء التطبيقية من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة عام 2020، وعمل باحثا بعد الدكتوراه في مركز التقنيات الفوتونية المُحدثة للتغيير (Centre for Disruptive Photonic Technologies) في سنغافورة على فوتونيات التيراهرتز الطوبولوجية من السيليكون لأجهزة الجيل السادس. والتحق بـ JNCASR في أغسطس 2023.

وتأتي الشريحة الجديدة امتدادا لسلسلة من أعمال التيراهرتز على السيليكون. ففي نسخة أولية من عام 2019 أفاد يي هاو يانغ وسبعة مؤلفين مشاركين، منهم رانجان سينغ، بنقل طوبولوجي مستقطب وادويا على شرائح من السيليكون وحده، مع نفاذ تام عبر عشر زوايا حادة واتصال خالٍ من الأخطاء بسرعة 10 غيغابت في الثانية عبر جدار نطاق ملتوٍ. وفي عام 2022 كان كومار المؤلف الأول لورقة في Nature Communications أفادت بوصلة ذات قناة واحدة بسرعة 160 غيغابت في الثانية ومفرّق إشارات من السيليكون، فُصلت فيه إشارات بسرعة 40 غيغابت في الثانية وبُثّ فيديو عالي الوضوح غير مضغوط في الزمن الحقيقي. ويشير مختبر PhLAM في جامعة ليل، وهو متعاون في تلك الورقة، إلى أن Web of Science تصنفها ورقة «ساخنة» تقع في أعلى 0.1 في المئة من الأوراق الفيزيائية استشهادا. وكان كومار أيضا المؤلف الأول لورقة عام 2024 في Nature Communications عن الضوء البطيء في أدلة الموجات الطوبولوجية.

أين وصل الجيل السادس وما خطة الفريق المقبلة

يسمي الاتحاد الدولي للاتصالات الجيل المقبل IMT-2030. وقد نشرت لجنة دراسات الاتصالات الراديوية فيه تقريرا عن الجدوى التقنية للتقنيات المتنقلة في نطاقات فوق 100 غيغاهرتز في مايو 2024، وتقول صفحتها حتى 6 نوفمبر 2026 إن مقترحات تقنيات الراديو المرشحة ستُستقبل من فبراير 2027 إلى فبراير 2029. وتقع قياسات JNCASR عند 310 إلى 360 غيغاهرتز ضمن النطاق الذي يتجاوز 100 غيغاهرتز ويغطيه تقرير الاتحاد. ويقول الاتحاد أيضا إن متطلباته الدنيا لا تمثل أداء مضمونا في الانتشار الفعلي.

ونتيجة JNCASR عرض مخبري لمكونات دوائر على شرائح، لا شبكة. أما عمل الهند في الجيل السادس، ومنه ندوة تحالف بهارات 6G في مؤتمر الهند للاتصالات المتنقلة في أكتوبر 2026، فيشمل الشبكات والمعايير. وتقع الشريحة في طرف المكونات من ذلك الجهد، ونقطة البيان أن السيليكون يلائم تصنيع الشرائح القائم تربطها بالمصانع الموصوفة في سباق الهند على مصانع أشباه الموصلات. ولا يقول البيان إن كانت الخسائر المقيسة ومعدلات البيانات قد أُعيد إنتاجها في مكان آخر.

وخطوة الفريق التالية، بحسب البيان، ضبط الحواجز كهربائيا أو حراريا أو ميكانيكيا، ما قد يتيح لجهاز واحد إعادة توجيه الإشارات بين المسارات عند الطلب. وينقل البيان عن كومار قوله إن عبور حاجز صُنع بمجرد تغيير هندسة الثقوب، بسرعة 100 غيغابت في الثانية، يوحي بأن هذا الأثر يمكن أن يصبح أداة تصميم مفيدة لشرائح التيراهرتز.