الإلكترونيات السبينية

الكترونيات سبينيه

Spintronics - Spintronique

الإلكترونيات السبينية

نضال شمعون

النبائط السبينترونية القائمة على المعدن

 النبائط السبينترونية القائمة على أنصاف النواقل

الإلكترونيات السبينية أو السبينترونيات spintronics مصطلح جديد يعني فرعاً من الإلكترونيات يتوسط النقل فيه سبين spin الإلكترون وشحنته بدلاً من شحنته فقط، تلك العاملة في الإلكترونيات التقليدية. والكلمة مشتقة من الكلمتين spin electronics بحذف الأحرف elec من الثانية. وتعرف أيضاً باسم المغنترونيات أو الإلكترونيات المغنطيسية، وهي تقانة تستغل كلاً من السبين الذاتي للإلكترون وعزمه المغنطيسي المرافق له، إضافة إلى شحنته الكهربائية في نبائط الحالة الصلبة.

شهد العالم في النصف الثاني من القرن العشرين ثورة مبنية على المنطق الرقمي، وتدعى هذه الفترة بعصر الإلكترونيات المكروية. ولو استعرضت العناصر الإلكترونية بدءاً من الترانزستورات المبكرة وصولاً إلى المعالِجات المكروية microprocessors القوية في الحواسيب لوجد أن معظم هذه النبائط قد استخدمت دارات تعبر عن المعطيات بأرقام ثنائية binary digits أو بتّات bits، هي الصفر والواحد ممثَّلة بعدم وجود شحنة كهربائية أو بوجودها، وبمرور تيار كهربائي أو عدمه. وذلك في الاتصالات بين نبائط الإلكترونيات المكروية. وقد يجني مستعملو التقانات التي انبثقت من هذا المنطق البسيط أموالاً طائلة في كل عام.

غير أن التحسين والنمو المستمرين للإلكترونيات المكروية محكوم بقانون مور Moore’s law الذي مفاده أن المعالجات المكروية ستتضاعف قوتها كل 18 شهراً مع تقلص حجم النبائط الإلكترونية وزيادة رزم المنطق في كل جذاذة chip. ومع اقتراب حجم البتّة في النبيطة من أبعاد الذرة سيتوقف مفعول قانون مور في يوم من الأيام، وعندها تصل خارطة الطريق للسليكون إلى نهايتها. لهذا السبب يتلهف الباحثون لتعزيز الوظائف المتعددة للنبائط (معالجة المعطيات وخزنها على جذاذة واحدة)، باستغلال خاصية أخرى للإلكترون هي السبين.

السبين خاصة كمومية صرفة، أقرب شبهٍ لها عزم البلبل الدوّام الذي يلعب به الأطفال، أو السلوك التوجهي لإبرة البوصلة. والإلكترونات لها سبين من النوع الذي يمكن أن يتجه إما إلى الأعلى أي «فوق» up وإما إلى الأسفل أي «تحت» down بالنسبة إلى الحقل المغنطيسي المطبّق. فالسبين إذاً يعطي لنفسه نوعاً جديداً من المنطق الثنائي للآحاد والأصفار.

يُعد استرخاء السبين (أي كيف يتوجه وكيف يختفي توجهه) والنقل السبيني (أي كيف تتحرك السبينات في المعادن وفي أنصاف النواقل) أمرين مهمين بصورة أساسية، ليس فقط لكونهما من المواضيع الأساسية في فيزياء الحالة الصلبة فحسب بل بسبب مكانتهما المُثْبَتة كظاهرتين في التقانة الإلكترونية. إن حركة السبينات- مثل جريان الشحنة- يمكنها أن تحمل معلومات بين النبائط. ويمتاز السبين على الشحنة بميزتين: الأولى هي أنه يمكن مناولته (أي تحويله من حالة إلى أخرى) بسهولة بوساطة حقول مغنطيسية خارجية، وتلك خاصية هي قيد الاستعمال في تقانة التخزين المغنطيسي magnetic storage. والثانية والأكثر أهمية هي زمن ترابطه الطويل، أي بقاؤه لمدة طويلة في حالة معينة، على عكس حالات الشحنة التي يمكن تخريبها بسهولة بالتبعثر أو التصادم مع العيوب أو الشوائب أو مع شحنات أخرى.

تتيح هاتان الميزتان للسبين إمكان تطوير نبائط يمكن أن تكون أصغر من نبائط الإلكترونيات التقليدية، وتستهلك طاقة أقل منها، وأن تعمل بصورة أسرع، وأن تولد حرارة أقل، كما أنها ستكون أكثر قدرة على القيام ببعض أنواع من الحوسبة أكثر مما هو ممكن الآن مع منظومات تعمل على شحنة الإلكترون، وإن أحد الأهداف النهائية هو بناء ترانزستور قائم على السبين يمكن أن يحل محل الترانزستورات التقليدية في الدارات المنطقية المتكاملة وفي نبائط الذاكرة.

بدأ الازدهار الحقيقي لهذا العلم بعد أن صمم بيتر شور Peter Shor الذي يعمل في مختبرات بل Bell خوارزمية كمومية تحلل الأعداد الكبيرة جداً إلى عوامل أولية، وهي مهمة شاقة على الحواسيب التقليدية وعلى أسس التعمية الحديثة، وبالتالي قد تكون النبائط السبينية ملائمة جداً لمثل هذه المهمات لأن السبين خاصية كمومية بحتة.

تعدّ الإلكترونات فرميونات ذات سبين يساوي ½ ، أي جسيمات تخضع لتوزع فرمي ديراك وهي ذات سبين نصف عدد صحيح. العزم المغنطيسي الكلي للإلكترون  (total magnetic moment for electron)  m_e  يساوي إلى مجموع عزمه المغنطيسي السبيني  (spin magnetic moment)   m_s حول محوره وعزمه المغنطيسي المداري (orbital magnetic moment) m_or حول نواة الذرة. ونكتب (العلاقة 1):

حيث تعطى m_s بالعلاقة (2):

وتعطى بالعلاقة (3):

حيث g عامل تصحيح، وهو ما يعرف بمعامل لاندا الذي يمكن أن ينسب إلى g_L بالنسبة إلى مدار الإلكترون فيساوي الواحد بالضبط، كما يمكن أن ينسب إلى g_s بالنسبة إلى سبين الإلكترون فيساوي 2 بتقريب جيد، وفق متطلبات ميكانيك الكم. وحيث q و m هما شحنة الإلكترون وكتلته على الترتيب، و S و L هما الاندفاع الزاوي السبيني والاندفاع الزاوي المداري للإلكترون على الترتيب. وقد جرت العادة أن يعبر عن العزم المغنطيسي بدلالة ثابت بلانك ومغنتون بور . ليعطي (العلاقة 4):

وذلك لأن سبين الإلكترون يساوي . إن مركبة العزم المغنطيسي السبيني على المحور Z هي (العلاقة 5):

وذلك لأن مسقط السبين S على المحور z هو العدد الكمومي السبيني m_s. ويعطى العزم المغنطيسي المداري بالعلاقة (6):

يجب تحقيق المتطلبات الأولية التالية لصنع نبيطة سبينترونية:

1 - منظومة تستطيع أن تولد تياراً من إلكترونات مستقطبة سبينياً تضم أحد أنواع السبينات- فوق أو تحت- بأعداد أكبر من النوع الآخر، وهذا يسمى حقن سبيني.

2 - منظومة منفصلة حساسة لاستقطاب الإلكترونات سبينياً، أي مكشاف للسبين. ويمكن إنجاز مناولة سبين الإلكترونات في أثناء النقل بين الحاقن والمكشاف، وخاصة في أنصاف النواقل، من خلال مبادرة السبين باستعمال حقول مغنطيسية خارجية حقيقية أو حقول فعالة يسببها تآثر سبين- مدار.

يمكن تحقيق الاستقطاب السبيني في المواد اللامغنطيسية إما بوساطة مفعول زيمان في حقول مغنطيسية كبيرة ودرجات حرارة منخفضة، وإما بوساطة طرائق انتقالية، لا توازن فيها. وفي الحالة الأخيرة سيتضاءل الاستقطاب اللاتوازني خلال زمن يدعى «زمن حياة السبين» spin lifetime. إن أزمنة حياة سبين إلكترونات النقل في المعادن قصيرة نسبياً وهي أقل من 1 نانو ثانية في الحالة النظامية. لكن أزمنة الحياة في أنصاف النواقل يمكن أن تكون طويلة جداً، وتصل إلى المكرو ثانية في درجات حرارة منخفضة، وخاصة عندما تكون الإلكترونات معزولة في كمونات أسر موضعية، كأن تكون عند الشوائب، فيمكن أن تصل أزمنة الحياة لها إلى الملي ثانية.

النبائط السبينترونية القائمة على المعدن

إن أبسط طريقة لتوليد تيار مستقطب سبينياً في معدن هو تمرير التيار عبر مادة حديدية المغنطة. والتطبيق الشائع لهذا المفعول هو النبيطة ذات المقاومة المغنطيسية العملاقة giant  magnetoresistance أو اختصاراً (GMR). تتألف نبيطة المقاومة المغنطيسية العملاقة (الشكل 1) من طبقتين على الأقل من مادتين ذواتي مغنطيسية حديدية تفصل بينهما طبقة مباعدة من معدن لا مغنطيسي. عندما تتراصف متجهتا التمغنط للطبقتين الحديديّتي المغنطة (الجزء ب من الشكل 1)؛ فإن المقاومة الكهربائية ستكون أدنى مما لو كانت الطبقتان الحديديتا المغنطة غير متراصفتين (الجزء آ من الشكل 1)، ومن ثم سيجري تيار أعلى عند تطبيق فلطية ثابتة. وبوساطة هذا المفعول تستطيع الرؤوس القارئة المغنطيسية للأقراص الصلبة أن تصبح أكثر حساسية للتغيرات في الحقول المغنطيسية، وهذا يعزز قدرتها على التخزين عن طريق سماحها باختزان المعلومات في مناطق أصغر على سطح القرص.

وقد طُبِّق نوعان مغايران من المقاومة المغنطيسية العملاقة في النبائط: في النوع الأول يجري التيار في مستوٍ current-in-plane أو اختصاراً CIP؛ إذ يكون موازياً للطبقتين؛ وفي النوع الثاني يجري التيار عمودياً على المستوي أو اختصاراً CPP؛ حيث يكون عمودياً على الطبقتين. (الشكل 2).

إن المقدرة على نقل السبينات الإلكترونية بين معدنين يعدّ أيضاً جزءاً أساسياً من ذاكرة الوصول العشوائي ذات المقاومة المغنطيسية (MRAM) Magnetoresistive Random Access Memory   . وهي نوع جديد لذاكرة حاسوب يمكنها أن تحتفظ بالمعلومة من دون أن تتطلب أي طاقة. إن MRAM مبنية على مفعول مماثل لمفعول GMR يسمى المقاومة المغنطيسية النَفَقية Tunnel Magnetoresistance أو اختصاراً TMR، التي تنشأ عندما تفصل طبقة رقيقة من مادة عازلة- مثل أكسيد الألمنيوم أو أكسيد المغنيزيوم- بين طبقتين من معدن حديدي المغنطة. وبدلاً من الانتثار البطيء للإلكترونات المستقطبة سبينياً من طبقة حديدية المغنطة إلى الطبقة الأخرى كما يحصل في GMR ، فإنها في TMR تعبر الطبقة الحاجزة عبوراً نفقياً بموجب ميكانيك الكم. وعلى هذا فإن هذه النبائط تسمى وصلات مغنطيسية نفقية (MTJs) Magnetic Tunnel Junctions   (الشكل3). وبموجب مبدأ باولي في الاستبعاد يمكن للعبور النفقي، ومن ثم النقل السبيني عبر الحاجز، أن يأخذ مجراه فقط إذا توفرت حالات موجية غير مشغولة على الجانب الآخر من الحاجز ولها السبين نفسه. وتكون النتيجة عبوراً نفقياً يعتمد على السبين. تُستَغلّ TMR كي تُبدِّل التيار السبيني الخارج بين وضعين: عالٍ ومنخفض. عندما يكون تمغنط الطبقتين المغنطيسيتين في حالة توازٍ فإن الإلكترونات التي سبينها للأعلى تستطيع أن تعبر الحاجز عبوراً نفقياً لأنه يتوافر العديد من الحالات غير المشغولة في الطبقة الحديدية المغنطة الثانية (الجزء الأعلى من الشكل3). أما عندما تكون الطبقتان غير متوازيتين فلا يحدث عبور نفقي (الجزء الأسفل من الشكل3). إن الفرق في التيار النفقي لدى تبدل اصطفاف الطبقات الحديدية المغنطة من التوازي إلى اللاتوازي هو ما يعرف باسم النسبة TMR. ولكي تكون هذه النسبة مفيدة لإنشاء نبائط عملية يلزم أن تكون قريبة من %500.

تحقق هذا العبور النفقي المعتمد على السبين في درجات حرارة منخفضة عام 1975 من قبل ميشيل جوليير M. Jullier في فرنسا، وجرت محاولات لتحقيقه في درجة حرارة الغرفة عام 1995 من قبل تيرونوبو مِيازاكي Terunobu Miyazaki في اليابان، وجاغاديش موديرا Jagadeesh Modera في الولايات المتحدة، كل على حدة. لكن النسبة TMR كانت صغيرة بين 12 % و 18 %، وهي أدنى بكثير مما هو مطلوب لصنع نبيطة لذاكرة عملية. ولكن النسبة ارتفعت بعد ذلك ووصلت حديثاً إلى 400 % على يد ستوارت باركنS. Parkin في مركز أبحاث تابع لشركة IBM في كاليفورنيا، وشينجي يوأسا Sh. Yuasa وزملائه لدى شركة AIST في اليابان، وذلك بتمكنهما من تصنيع سطوح بينية ذات استواء ذري بين طبقتي المعدن والأكسيد. توجد صفيفات MRAM تجارية مبنية على TMR في طريقها لتصبح متاحة، ويمكن استعمالها في يوم من الأيام لبناء حواسيب شخصية تعمل بصورة آنية.

النبائط السبينترونية القائمة على أنصاف النواقل

يتبع الباحثون والمطورون لنبائط السبينترونيات طريقتين مختلفتين: فهم يسعون في الطريقة الأولى إلى إكمال التقانة الموجودة حالياً والقائمة على GMR وإتقانها إما بتطوير مواد جديدة ذات استقطاب سبيني أكبر للإلكترونات، وإما بإجراء تحسينات أو تغييرات في النبائط الموجودة الأمر الذي يسمح بترشيح أفضل للسبين. ويركِّزون في الطريقة الثانية- وهي الأكثر عمقاً- على إيجاد طرائق جديدة لتوليد تيارات ذات سبينات مستقطبة واستعمالها، كي تتحكم على نحوٍ فعال في دينامية السبين. والقصد منها هو تحري النقل السبيني في أنصاف النواقل والبحث عن طرائق يمكن لأنصاف النواقل فيها أن تعمل كمقطبات سبينية وصمامات سبينية. وتكمن أهمية هذه الطريقة في حقيقة أن النبائط الموجودة حالياً والمبنية على المعدن لا تضخم الإشارات كما تفعل ترانزستورات أنصاف النواقل، وإن تكن ناجحة كمفاتيح تحويل switches أو صمامات valves، في حين بإمكان النبائط السبينترونية المبنية على أنصاف النواقل أن تؤمن مبدئياً التضخيم وتقوم بدور نبائط متعددة الوظائف بوجه عام. وربما يكون من الأسهل أن تصنع النبائط المبنية على أنصاف النواقل دارات متكاملة بتقانة أنصاف النواقل التقليدية نفسها. ومع أن أنصاف النواقل تقدم ميزات واضحة باستعمالها في تطبيقات سبينترونية جديدة، إلا أن هناك العديد من التساؤلات تتعلق بضم أنصاف النواقل مع مواد أخرى لإنتاج تقانة سبينترونيات ناجحة تبقى من دون جواب. فعلى سبيل المثال لم يُفهم بعد ما إذا كان وضع نصف ناقل على تماس مع مادة أخرى سيعوق أو يعطل نقل السبين عبر السطح البيني.

كانت الخطة لفهم النقل السبيني في بنى لأنصاف نواقل هجينة في الماضي مبنية على استعارة المعرفة المتوافرة من دراسات جرت على مواد مغنطيسية تقليدية. لكن الباحثين بدؤوا حديثاً بدراسات مباشرة للنقل السبيني عبر السطوح البينية في كل نبائط أنصاف النواقل. يمكن في هذا المنهج ضم مناولة ضوئية optical manipulation - كتسليط ضوء مستقطب استقطاباً دائرياً على مادة لخلق استقطاب سبيني حاصل فيها- إلى لا تجانسات في المادةmaterial inhomogeneities، وذلك بتطعيم ملائم كما في صنف اكتشف حديثاً لمواد ذات مغنطيسية حديدية من الغاليوم- مغنيزيوم- زرنيخ، لتصميم (تفصيل) خواص نقل سبيني.

وكان ترانزستور مفعول الحقل السبيني أول خطة لنبائط السبينترونيات القائمة على تقانة معدن-أكسيد- نصف ناقل المألوف لدى مصممي الإلكترونيات المكروية الذي اقترحه عام 1989 سوبريو داتاSupriyo Datta وبيزواجيت داس Biswajit Das من جامعة بوردو. في ترانزستور مفعول الحقل التقليدي تدخل الشحنة الإلكترونية عبر إلكترود المصدر source ثم تُجمّع عند إلكترود المصرفdrain . وهناك إلكترود ثالث هو البوابة gate يولد حقلاً كهربائياً يغير حجم القناة التي من خلالها يمر التيار بين المصدر والمصرف. وفي النتيجة ينشأ حقل كهربائي صغير قادر على التحكم بتيارات كبيرة.

أما في نبيطة داتا-داس المبينة في الشكل (4) فتوجد بنية مكونة من إنديوم-ألمنيوم-زرنيخ وإنديوم- غاليوم-زرنيخ تؤمن قناة لنقل إلكتروني ثنائي البعد بين إلكترودين حديديي المغنطة. أحد الإلكترودين يقوم بدور الباعث emitter، والآخر بدور المجمّع collector (مماثل من حيث الفعل للمصدر والمصرف في ترانزستور مفعول الحقل). يصدر الباعث الإلكترونات وسبيناتها موجّهة باتجاه تمغنط الإلكترود، في حين يقوم المجمّع (وله تمغنط الإلكترود نفسه) بدور مرشح سبيني.

ويستقبل الإلكترونات التي لها السبين نفسه فقط. إذا كان جهد البوابة مفصولاً (off) فإن السبينات المصطفة تمر عبر القناة وتجمع في المجمّع عند الطرف الآخر كما في الجزء (آ) من الشكل (5). وإذا كان جهد البوابة موصولاً (on) فإن الحقل الناتج يولد تآثراً مغنطيسياً يجبر

سبينات الإلكترونات على أن تبادر precess تماماً مثل مبادرة precession البرّيمة المدوّمة تحت تأثير قوة الثقالة. يُعدَّل تيار الإلكترونات بوساطة درجة المبادرة في سبين الإلكترون الذي أدخله حقل البوابة: فيمر إلكترون عبر المجمّع إذا كان سبينه موازياً للتمغنط ولا يمر إذا كان غير موازٍ له، كما في الجزء (ب) من الشكل (5). إن مفعول داتا- داس ينبغي أن يكون أشد وضوحاً في أنصاف النواقل ذات فرجة الطاقة الضيقة مثل InGaAs الذي يتمتع بتآثرات من نوع سبين – مدار كبيرة نسبياً، أي إن الحقل المغنطيسي الذي أدخله تيار البوابة ذو تأثير كبير في سبين الإلكترون.

هناك مفهوم آخر هو الترانزستور السبيني من المعدن كلياً، والذي طوره مارك جونسون M. Johnson. تتألف بنيته الثلاثية الطبقات من طبقة معدنية لا مغنطيسية - هي القاعدة- مُقحَمة بين طبقتين ذاتي مغنطيسية حديدية، هما الباعث والمجمع، كما في الشكل(6). ويمتلك ترانزستور المعدن الخالص فلسفة التصميم نفسها المتبعة في نبائط المقاومة المغنطيسية. فعندما تكون سبينات الإلكترونات في الباعث والمجمع مصطفّة يجري تيار من الباعث إلى المجمع (الجزء الأيسر من الشكل 6). وعندما يكون التمغنط فيهما مختلفاً يجري التيار من القاعدة إلى الباعث والمجمع (الجزء الأيمن من الشكل 6). في هذه الخطة توصل بطارية إلى دارة التحكم (الباعث-القاعدة) تفتح وتغلق في حين تتحول جهة التيار في دارة العمل (القاعدة-المجمع) بصورة فعالة بتغيير تمغنط المجمع. العيب في ترانزستور جونسون أنه لا يضخم التيار ولا يضخم الجهد، لكنه يعمل كقاطعة أو كصمام سبيني يتحسس للتغيرات في الحقل المغنطيسي الخارجي. يتمتع ترانزستور جونسون بميزة مهمة وهي كونه من المعدن الخالص، الأمر الذي يسمح بصنعه مبدئياً باستعمال تقانة الطباعة الحجرية النانوية. ومن إحدى مساوئ ترانزستور جونسون أنه يصعب دمجه كنبيطة ترانزستور سبيني في دارات الإلكترونيات المكروية لأنصاف النواقل الموجودة حالياً نظراً لكون كل مكوناته من المعدن.

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد الثالث

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية