آیا آینده‌ی ترانزیستور با کنترل اسپین الکترون گره خورده است؟

الهام سروری

۲۹ تیر ۱۴۰۱ | ۲۲:۰۰ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۳ دقیقه

آیا آینده‌ی دنیای دیجیتال در کنترل اسپین الکترون‌ها نهفته است؟

همانطور که دستگاه‌های ما کوچک‌تر، سریع‌تر و از نظر انرژی کارآمدتر می‌شوند، کم کم قادر خواهند بود که مقادیر بیشتری از داده‌ها را در خود نگهداری کنند. درواقع ممکن است خیلی زود حوزه‌ی جدیدی به نام اسپینترونیک «Spintronics» ادامه‌دهنده‌ی این مسیر باشد. درست به همان شکلی که دنیای الکترونیک بر اساس جریان الکترون‌ها شکل گرفته است، دنیای اسپینترونیک با کنترل اسپین الکترون‌ها ظهور پیدا می‌کند! اما اِسپینترونیک دقیقا چیست و چه ربطی به قطعاتی همچون ترانزیستور دارد؟

اِسپینترونیک در کنار الکترونیک دنیای مدرن را می‌سازد!

همانطور که می‌دانید یک الکترون همچون دیگر ذرات، دارای درجه‌ی آزادی‌ای به نام اسپین است؛ به این معنی که نه تنها باردار است، بلکه مانند یک آهنربای کوچک هم عمل می‌کند. با توجه به همین مساله هم در حوزه‌ی اسپینترونیک، کلید کار در استفاده از میدان الکتریکی برای کنترل اسپین الکترون و چرخاندن قطب شمال این آهنربای کوچک در جهت‌های معین است. به طور کلی اثر میدان اسپینترونیک می‌تواند طی پدید‌ه‌ای به نام اثر راشبا یا جفت‌شدگی اسپین- مدار درسلهاوس (Dresselhaus spin-orbit coupling effect) قطعه‌ای به نام ترانزیستور را مهار کند! درواقع این اتفاق با کنترل اسپین الکترون با میدان الکتریکی اتفاق می‌افتد!

اثر راشبا یا درسلهاوس چیست؟ این اثر پدیده‌ای در حوزه‌ی فیزیک حالت جامد و ناشی از برهم‌کنش اسپین-مدار است. درواقع این برهم‌کنش باعث شکافتن سطوح انرژی می‌شود و معمولاً در سیستم‌های بلوری و فاقد تقارن وارونگی به وجود می‌آید.

اگرچه کنترل اسپین الکترون به این روش، نویدبخش محاسبات کارآمدتر و پرسرعت‌تر در عصر اطلاعات است، اما قبل از اینکه این فناوری به مرحله‌ی ظهور برسد، همچون هر چیز دیگری، باید بر چالش‌های خاص آن غلبه کرد.

ترانزیستور اسپینترونیک چیست؟

جالب است بدانید که برای دهه‌ها، دانشمندان در تلاش بودند تا با استفاده از میدان‌های الکتریکی اسپین را در دمای اتاق کنترل کنند، اما این موفقیت تا به امروز قابل دستیابی نبود! در همین راستا طی مقاله‌ای که اخیراً در مجله‌ی «Nature Photonics» منتشر شده است، یک تیم تحقیقاتی به رهبری جیان شی (Jian Shi) و راویشانکار سانداررامان (Ravishankar Sundararaman) قدمی رو به جلو برای حل این مساله برداشتند.

یکی از محققان این حوزه اذعان دارد که کل این فرآیند در بزرگ کردن میدان مغناطیسی راشبا یا درسلهاوس به منظور بالا بردن سرعت اسپین الکترون، خلاصه می‌شود. درواقع اگر میدان مغناطیسی راشبا ضعیف باشد، اسپین الکترون به آرامی می‌چرخد. به این معنی که روشن یا خاموش کردن اسپین (منظور از روشن و خاموش کردن، تغییر اسپین الکترون بین دو حالت آن است!) ترانزیستور زمان زیادی می‌برد. در عین حال لازم است بدانید که حتی با وجود یک میدان مغناطیسی داخلی بزرگ هم ممکن است کنترل اسپین الکترون ضعیف پیش رود، چراکه تنظیم دقیق میدان مغناطیسی هم در این کار دخیل است!

در این میان فیزیکدانان از پروسکایت (Perovskite) که دارای تقارن کریستالی منحصربه‌فرد و جفت‌شدگی قوی اسپین- مدار است، به عنوان یک گزینه‌ی امیدوارکننده برای درک فیزیک اسپینِ راشبا- درسلهاوس در دمای اتاق استفاده کردند. خواص اپتوالکترونیکی این کریستال که در دما اتاق غیر فرار، قابلیت تنظیم و وابسته به اسپین است می‌تواند به بهبود و توسعه‌ی اصول طراحی در خلق ترانزیستور اثر میدان اسپینی، در دمای اتاق کمک کند. لازم به ذکر است که پروسکایت‌ها مجموعه‌ای از ترکیبات هم‌شکل با فرمول ساختاری ABO3 است که ساختمانی مکعبی شکل دارد. اولین نمونه‌ی کشف شده از پروسکایت‌ها ترکیبی معدنی با فرمول CaTiO3 در سال ۱۸۳۱ بود.

یکی از چالش‌های پیش‌رو برای ساخت ترانزیستور اسپینترونیک که بسیار قدرتمند از ترانزیستورهای کنونی هستند، فراهم آوردن چرخش متناوب و هماهنگِ اسپین‌ها در دما اتاق است؛ امروزه به لطف پروسکایت و ایجاد میدان مغناطیسی بزرگ و تنظیم شده، چنین امکانی ایجاد شده است.

طی این تحقیقات میدان مغناطیسی داخلی (که بر پروسکایت کریستالی شکل اعمال می‌شود!) هم بزرگ است و هم به طور دقیق در یک جهت توزیع می‌شود. بنابراین چنین شرایطی به اسپین‌ها اجازه‌ی چرخش هماهنگ و متناوبی را می‌دهد. درواقع چرخش متناوب و هماهنگ اسپین‌ها در چنین شرایطی یک نیاز کلیدی برای استفاده از اسپین الکترون‌ها برای انتقال مطمئن اطلاعات است! دکتر شی اذعان دارد که این تحقیقات یک گام رو به جلو به سوی تحقق عملی ترانزیستور اسپینترونیک است!