ענף האלקטרוניקה, הינו אחד מהענפים החשובים בחיי היומיום שלנו. כולנו עושים שימוש במוצרי אלקטרונים רבים ומגוונים. המאמץ להקטין ולשפר רכיבים אלו הינו אחד מתחומי המחקר החשובים ביותר כיום. האלקטרוניקה, מתבססת על זרמים ומתחים חשמליים. גדלים אלו מנצלים את תכונת המטען החשמלי של האלקטרונים לשם פעולתם.
פרט למטען, לאלקטרון יש תכונה חשובה נוספת, הספין. הספין הינו מומנט מגנטי טבעי של האלקטרון, אשר גודלו קבוע, והחופש היחיד בו הינו כיוונו. אם אנו מנסים לדעת מהו הספין, לאורך ציר מסוים, תמיד נמדוד אותו הגודל, ואחד משני כיוונים שונים - "מעלה" כלומר לאורך הציר בו ממדנו, או "מטה" כלומר בכיוון ההפוך לציר אותו מדדנו.
כאשר אנו מזרימים זרם אלקטרונים, ניתן לשאול מהו אחוז האלקטרונים בעלי ספין בכיוון מעלה או מטה. גודל זה נקרא קיטוב. זרם בו חצי מהאלקטרונים הינם בעלי ספין מעלה וחצי בעלי ספין מטה יקרא לא מקוטב. זרם בו כל האלקטרונים הינם בעלי אותו הספין הינו זרם מקוטב, וניתן כמובן גם לקטב חלקית זרם, כלומר רוב האלקטרונים יהיו בעלי ספין מסוים, אולם לא כולם. הזרמים החשמליים הנעים במעגלים האלקטרונים הינם זרמים בלתי מקוטבים, כלומר חצי מהאלקטרונים הינם בעלי ספין למעלה וחצי בעלי ספין למטה.
מתחום מחקר חדש, הנקרא "ספינטרוניקה", עולה כי במידה ונדע לנצל את תכונת הספין של האלקטרון, ולהזרים זרמים מקוטבים, בהם כל האלקטרונים הינם בעלי אותו הספין (לדוגמה "למעלה") נוכל לייעל את הרכיבים האלקטרונים, או "הספינטרונקים", להקטינם, ולשפר את צריכת האנרגיה שלהם. אחת מהבעיות הניצבות בפני פיתוח תחום ה"ספינטרוניקה" הינו העדר מקור מתח יציב, אשר ייצר זרמים מקוטבים יציבים לאורך זמן ומרחק.
לאחרונה, הצליחה קבוצת מדענים להדגים כי באמצעות טכנולוגיה פשוטה יחסית ניתן ליצור מקור מתח עבור זרמי ספין. טכנולוגיה זו מתבססת על אפקט הדומה לאפקט ידוע בשם "seebeck effect". אפקט זה הינו היווצרות מתח חשמלי, בין קצוותיה של מתכת, המוחזקים בטמפרטורות שונות.
כאשר קובעים טמפרטורה שונה בכל אחד מקצותיה של מתכת. כך שיש לנו קצה אחד חם וקצה שני קר ממנו, ולאורך המתכת הטמפרטורה אינה אחידה, ומשתנה באופן ליניארי, נעים אלקטרונים "חמים" מן הקצה החם אל הקצה הקר של המתכת בניסיון להשוות את הטמפרטורה לאורך המתכת. אם אנו מאלצים מבחוץ את הפרש הטמפרטורות, האלקטרונים ממשיכים לזרום ולהצטבר בצד הקר כך שריכוז האלקטרונים בצד הקר, גבוה מריכוז האלקטרונים בצד החם של המתכת. הפרש ריכוזים זה, מוביל להפרש בפוטנציאל הכימי של האלקטרונים הנמצאים בקצוות שונים של המתכת, ולכן נוצר מתח חשמלי בין צידי המתכת. מתח זה מקשה על אלקטרונים נוספים להגיע לצד הקר של המתכת, עד שלבסוף נוצר איזון והמתכת מגיעה למצב יציב בו לצד הפרש הטמפרטורה אותו אילצנו, קיים גם הפרש מתחים בין שני קצוות המתכת. היחס בין הפרש הטמפרטורה למתח שנוצר נקרא מקדם seebeck, ומסומן באות S, והוא משתנה מחומר לחומר.
הגרסה ה"ספינטרוניקית" של אפקט זה הינה הבסיס למקור מתח הספין החדש. החוקרים, לקחו חומר פרומגנטי (להלן המגנט), והפעילו לאורכו שדה מגנטי קבוע. במצב שכזה, ריכוז האלקטרונים בעלי ספין "מעלה" גבוהה מריכוז האלקטרונים בעלי ספין "מטה". כעת, יצרו החוקרים הפרש טמפרטורות בין שני קצותיו של המגנט. כאמור, בעקבות הפרש הטמפרטורות אלקטרונים יזרמו אל הקצה הקר של המתכת, אולם, במגנט מקדם S של אלקטרונים בעלי ספין "מעלה" שונה מן המקדם S של אלקטרונים בעלי ספין "מטה". בעקבות הבדל זה, לאחר יצירת הפרש הטמפרטורות, קצה אחד של המגנט מכיל ריכוז גבוה יותר של אלקטרונים בעלי ספין "מעלה" ואילו הקצה השני מכיל ריכוז גבוה יותר של אלקטרונים בעלי ספין "מטה".
במצב זה, הפוטנציאל הכימי של אלקטרונים בעלי ספין "מעלה" שונה מין הפוטנציאל הכימי של אלקטרונים בעלי ספין "מטה", כאשר בכל נקודה לאורך המגנט הפרש זה שונה (ראו תמונה). בקצה אחד הפוטנציאל של אלקטרונים בעלי ספין "מטה" הוא הגבוה יותר, בקצה השני דווקא הפוטנציאל של אלקטרונים בעלי ספין "מעלה" הוא הגבוהה יותר, ובמרכז המגנט הפוטנציאלים שווים.
אם נרצה להזרים זרם מקוטב, שרובו מורכב מאלקטרונים בעלי ספין "מעלה" למעגל כלשהו, כל שעלינו לעשות הוא לחבר את המעגל לצידו של המגנט בו הפוטנציאל הכימי של אלקטרונים בעלי ספין "מעלה" גבוה מן הפוטנציאל הכימי של אלקטרונים בעלי ספין "מטה". יתרה מכך, מאחר וההפרש בין הפוטנציאלים הכימיים משתנה באופן רציף לאורך המגנט, על ידי חיבור המעגל שלנו בנקודות שונות לאורך המגנט, נוכל לכוון את אחוז הקיטוב של הזרם המוזרק אליו.
על מנת לוודא כי מקור המתח אכן מזריק זרמים מקוטבים, השתמשו החוקרים באפקט הול הספיני ההפוך (Inverse Spin Hall Effect). כאשר זרם לא מקוטב מוזרק למתכת מתפתח מתח במתכת אך ורק לאורך כיוון זרימת האלקטרונים (ציר X), אולם במידה והזרם מקוטב, יתפתח זרם גם בניצב לכיוון זרימת האלקטרונים (ציר Y). הסיבה לכך נעוצה בפיזור של אלקטרונים מזיהומים במתכת. כאשר אלקטרון נתקל בזיהום במתכת הוא מתפזר ממנו, ויכול לעקוף אותו בשתי דרכים שונות (משמאל/מימין). הבחירה של מסלול העקיפה מושפעת מהספין של האלקטרון, אלקטרונים בעלי ספין מעלה יעדיפו לעקוף את הזיהום מצד אחד בעוד שאלקטרונים בעלי ספין מטה יעדיפו לעקוף את הזיהום מהצד השני.
כאשר זרם לא מקוטב זורם במתכת לאורך ציר X מספר שווה של אלקטרונים עוקפים את הזיהומים מימין ומשמאל, ועל כן ריכוז האלקטרונים לאורך ציר Y אינו משתנה ולא מתפתח מתח לאורך ציר זה. כאשר הזרם מקוטב, כלומר רוב האלקטרונים הינם בעלי ספין בכיוון מסוים, רוב האלקטרונים יעקפו את הזיהומים מאותו הצד, מה שיוביל לריכוז אלקטרונים גבוה יותר בצד זה של המתכת ולכן יתפתח מתח בציר Y, מאונך לכיוון זרימת האלקטרונים. אפקט זה מאפשר למדוד האם הזרם מקוטב, ובאיזו מידה, כלומר מהו אחוז האלקטרונים בעלי ספין מעלה ומהו האחוז בעלי ספין מטה.
על מנת להשתמש באפקט זה ולהוכיח כי מקור המתח החדש מייצר זרם מקוטב, הניחו החוקרים שכבת פלטינה מעל קצה המגנט, כך שהמתח שבמגנט, יביא להזרקת זרם אל הפלטינה, ומדדו את המתח בכיוון המאונך לתנועת האלקטרונים. החוקרים הראו כי אכן בצידו האחד של המגנט מוזרק למוט הפלטינה זרם מקוטב בכיוון אחד ("מעלה") ואילו בצידו האחר מוזרק זרם בקיטוב ההפוך ("מטה"). למעשה הראו החוקרים כי באמצעות חיבור מוט הפלטינה למגנט באזורים שונים ניתן לבחור את אחוז הקיטוב.
לסיכום, החוקרים הצליחו לייצר, באופן פשוט, מקור מתח המספק זרם מקוטב של אלקטרונים. תגלית זו צפויה להצעיד קדימה את תחום "הספינטרוניקה" ובתקווה, לעזור להעבירו מתחום תיאורטי הנחקר במעבדות בלבד, ולתחום מעשי המסייע לנו בחיים היומיום.
בבליוגרפיה
1. solid-state physics: Recipe for spin currents N. P. Ong Nature 455, 741-743 (9 October 2008)
2. Observation of the spin Seebeck effect K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K. Ando, S. Maekawa & E. Saitoh Nature 455, 778-781 (9 October 2008)
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
