מדע חדש ומבטיח – ספינטרוניקה – משתמש ב"ספין" של האלקטרון כדי לבצע חישובים מהירים

מכשירים אלקטרוניים הם חלק בלתי נפרד מחיי היומיום שלנו, החל בטלפון הסלולרי והמחשב וכלה בתנור המיקרוגל הביתי. האלקטרוניקה מבוססת על העברת מידע באמצעות זרם של אלקטרונים, שנושאים מטען חשמלי שלילי. מצב שבו הזרם עובר מוגדר כ-"1" והמצב שבו לא עובר זרם מוגדר כ-"0". היכולת להשתמש בשני המצבים הללו כספרות ברכיבים שמבצעים באמצעותן חישובים עומדת בבסיסו של כל מכשיר אלקטרוני. תחום חדש ומבטיח בשם ספינטרוניקה משתמש בתכונה אחרת של האלקטרון, שנקראת ספין (סחריר) כדי להעביר מידע.

אפשר לדמיין את האלקטרון כמעין מגנט קוונטי קטן שיכול להיות באחד משני מצבים שונים המכונים "למעלה" או "למטה". השמות הללו נובעים מכך שמבחינה אינטואיטיבית נוח לדמיין את האלקטרון ככדור שמסתובב סביב עצמו ויוצר שדה מגנטי כלפי מעלה או כלפי מטה, אך למעשה מדובר בתיאור ציורי בלבד שאינו מדויק מבחינה פיזיקלית. בניגוד לאלקטרוניקה, שמשתמשת בזרמים חשמליים, הספינטרוניקה עושה שימוש בזרמים של ספינים.

הפוטנציאל הגדול של הספינטרוניקה נובע מכך שלעומת האלקטרוניקה היא מאבדת פחות אנרגיה מחימום, כפי שקורה כשאלקטרונים עוברים דרך חומר מוליך. בספינטרוניקה, לעומת זאת, משום תנועת האלקטרונים בחומר מצומצמת יותר. כמו כן, פעולות החישוב בה מהירות יותר והיא מאפשרת לדחוס כוח חישובי רב יותר לנפח קטן יותר.

צילום (צבוע) במיקרוסקופ אלקטרונים המראה את הספינים של אטומי מנגן כענן אדום-צהוב | מקור: Science Photo Library
צילום (צבוע) במיקרוסקופ אלקטרונים המראה את הספינים של אטומי מנגן כענן אדום-צהוב | מקור: Science Photo Library

אפקט ההפתעה

קבוצת חוקרים מיפן ומארצות הברית פרסמה לאחרונה בכתב העת Nature את דבר גילויה של תופעה שעשויה לקדם משמעותית את תחום הספינטרוניקה. החוקרים השתמשו בתרכובת Mn3Sn, המורכבת מהמתכות מנגן ובדיל, שיוצרת מגנט בעל תכונות מיוחדות: ברוב המגנטים שאנחנו מכירים, הספינים של האלקטרונים בחומר מתיישרים לאותו כיוון במקביל זה לזה, כך שנוצר שדה מגנטי קבוע. ב-Mn3Sn הספינים של האלקטרונים מסודרים במשולשים, כך שאין כיוון דומיננטי שאליו רוב הספינים פונים. לכן בתנאים רגילים החומר אינו מתנהג כמו מגנט.

החוקרים גילו שכאשר מעבירים דרך החומר זרם חשמלי חלש וגם מפעילים עליו שדה מגנטי בכיוון ובגודל הנכונים, נוצרת על המשטח הצטברות של אלקטרונים בעלי ספין זהה. גם התופעה ההפוכה מתקיימת – כש"מזריקים" על פני השטח אלקטרונים בעלי ספין זהה ומפעילים בתוך כך שדה מגנטי המתאים, נוצר זרם של אלקטרונים דרך החומר. שתי התופעות הללו מכונות "אפקט הוֹל המגנטי-סחרירי" ו"אפקט הוֹל המגנטי-סחרירי ההופכי" בהתאמה.

על פי אפקט הול הסחרירי, שנחזה כבר בשנות ה-70, קיימים חומרים שהעברה של זרם חשמלי בהם תגרום להצטברות של ספינים בעלי כיוון זהה בצד מסוים של החומר, וספינים בעלי כיוון הפוך בצד השני. התגלית החדשה של קבוצת החוקרים היא מקרה ספציפי שבו הצטברות ספינים בעלי כיוון זהה על דפנות החומר מתרחשת כשמעבירים זרם חשמלי דרך החומר בצורה שתלויה גם בשדה המגנטי שהוא שרוי בו.

את התופעות הללו אפשר לנצל ליצירת התקנים ספינטרוניים עם איבוד אנרגיה נמוך, שמסוגלים לעבוד בתדר גבוה, כלומר לשנות במהירות את מצבם, ולכן יבצעו חישובים מהירים יותר. מכיוון שהתופעות שגילו החוקרים מתרחשות רק על פני השטח של החומר, החוקרים השתמשו בשכבות דקות במיוחד בעובי של 100 ננומטר (מיליארדיות המטר) כדי למדוד את התופעה בצורה אופטימלית. מאחר שקל יחסית ליצור שכבות דקות של Mn3Sn, התקווה היא שנוכל ליצור התקנים ננומטריים מהחומר, וכך להכניס כוח חישובי רב לשטח קטן במיוחד.

0 תגובות