ستيفانو جاريليو

تكنولوجيا واعدة للجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر هي السنترونيك ، نوع من الإلكترونيات يعتمد على دوران - الزخم الزاوي الداخلي - للإلكترونات ، بدلاً من شحنتها. ومع ذلك ، تتطلب الطرق المتاحة للتحكم في الدوران تيارات كهربائية كبيرة جدًا للتطبيقات العملية. في ورقة في الطبيعة ، نويل وآخرون . 1 تقرير عن نهج يسمح بالتحكم في الدوران منخفض الطاقة باستخدام مجال كهربائي.

كان التقدم الكبير في زيادة القوة الحسابية على مدى الخمسين عامًا الماضية مدفوعًا إلى حد كبير بالتصغير المستمر للترانزستور ذو التأثير الميداني 2 ، المكون الأساسي لرقائق السيليكون. كان هذا التخفيض المتسق متوقعًا 3 في عام 1965 من قبل المهندس الإلكتروني Gordon Moore ، وقد أدى إلى المليار الترانزستورات المذهل الذي يوجد عادة في معالجات أجهزة الكمبيوتر الشخصية الحديثة. لقد توصلت صناعة أشباه الموصلات إلى خارطة طريق تحدد التطورات التكنولوجية في مواد الكمبيوتر والأجهزة والأنظمة التي ستكون مطلوبة للحفاظ على هذه المعدلات التاريخية للزيادة في القوة الحسابية .

يعالج قسم متزايد من خارطة الطريق مشكلة ملحة في هذا المجال: لا يمكن تقليص الترانزستورات القائمة على التكنولوجيا المستخدمة حاليًا أكثر من ذلك بكثير ، لأنه سيتم الوصول إلى الحدود المادية للتصغير قريبًا. لا توجد حلول معروفة للعديد من المشكلات الفنية والمواد المرتبطة بهذه المشكلة. لذلك ، يبحث علماء المواد والفيزيائيون والمهندسون في مجموعة من مبادئ العمل الجديدة المحتملة لتكنولوجيا الكمبيوتر. يسمح تطوير المناهج الجديدة أيضًا باستهداف أهداف أخرى ، مثل خفض استهلاك الطاقة ، أو دمج وظائف متعددة في المكونات لتسريع معالجة البيانات.

تتمثل إحدى طرق تقليل استهلاك الطاقة في القضاء على الحاجة إلى مصدر طاقة مستمر للحفاظ على الحالة المنطقية (ON أو OFF) للترانزستورات. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مواد حديدية (مثل مركبات حديدية ، والتي لها استقطاب كهربائي دائم) أو أجهزة ميكانيكية كهرضغطية ، تتطلب طاقة للتبديل بين الحالات المنطقية ، ولكن ليس للاحتفاظ بتلك الحالات 4 . كما شهدت تقنية Spintronics زيادة في الاهتمام ، لأنه من المتوقع أن يقلل هذا النهج من التبديد الكهربائي 5 - فقدان التبذير للطاقة الكهربائية كحرارة. يمكن أن تكون مجموعات من الأساليب الحديدية مع spintronics 6 فعالة بشكل خاص في السباق لتطوير تكنولوجيا حوسبة أكثر كفاءة.

ومع ذلك ، سيتطلب العديد من هذه الأساليب مواد جديدة - على سبيل المثال ، أشباه الموصلات المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية التقليدية ليس لها خصائص حديدية. عائلة من المركبات المعروفة باسم أكاسيد معقدة ذات أهمية خاصة ، لأنها تستضيف ثنائيات القطب المغناطيسية والكهربائية الدائمة ، وبالتالي فتح الباب أمام التطبيقات التي تتطلب حالات دائمة. على الرغم من أن الأكاسيد المعقدة ليست جيدة مثل أشباه الموصلات للاستخدام في الترانزستورات الكلاسيكية لأنها تنتج المزيد من التبديد الكهربائي ، إلا أنها تتمتع بخصائص ملحوظة للمسبقات الإلكترونية 7 .

وقد لوحظت مراحل إلكترونية مثيرة للاهتمام لتشكيلها في الواجهات بين أكاسيد معقدة. يركز نويل وزملاؤه على مرحلة تسمى غاز الإلكترون: طبقة فائقة السُمك (بسمك قليل من النانومتر) من إلكترونات موصلة تتشكل على سطح تيتانات السترونتيوم (STO) مغطاة بطبقة من الألومنيوم.

من المحتمل أن يوفر STO أفضل توضيح لتعقيد الخواص الكهربائية لأكاسيد الفلزات الانتقالية. في شكلها النقي ، إنها مادة عازلة (عازل كهربائي) تميل إلى أن تصبح عازلة كهربائية في درجات حرارة أقل من 4 كلفن ، لكنها تفشل في القيام بذلك بسبب التقلبات الكمية 8 . ومع ذلك ، فإن التعديلات على كيمياء STO (مثل استبدال بعض ذرات السترونتيوم بذرات الكالسيوم) يمكن أن تدفع المركب فوق الحافة ليصبح كهربائيًا كهربائيًا 9 . ويؤدي استبدال بعض ذرات السترونتيوم بذرات اللانثانم إلى زيادة عدد الإلكترونات في STO من خلال عملية تعرف باسم المنشطات الإلكترونية ، وتحويل المادة إلى موصل معدني ، وحتى إلى موصل فائق 10 .

إحدى نتائج إلكترونات واجهة الألومنيوم / STO المحصورة في الغاز هي أن دورانها يقترن بزخمها ، وهي ظاهرة تسمى تفاعل الدوران والمدار 11 . عمال من نفس المجموعة البحثية مثل نويل وآخرون . وقد أظهروا من قبل 12 تشابكًا في الزخم الدوار: عندما قاموا بحقن تيار مستقطب تدور (تدفق يدور موجه في اتجاه واحد) في غاز الإلكترون ، لاحظوا تيارًا كهربائيًا تقليديًا (تيار شحن) يعتمد اتجاهه على اتجاه الدوران وعلى اقتران مدار تدور. هذا هو نتيجة تحويل استقطاب السبين إلى حركة إلكترونية من خلال التفاعل بين السبين والمدار.

تقرير الآن ملاحظات مفاجئة لنظام الغاز الإلكتروني STO الذي يضيف إلى هذا السلوك المعقد. عندما طبق المؤلفون مجالًا كهربائيًا على STO للتحكم في اقتران الدوران والمدار في الغاز ، لاحظوا تأثير التباطؤ - اتجاه تيار الشحن الناتج في الغاز 'يتذكر' قطبية المجال الكهربائي المطبق ، حتى بعد تمت إزالة الحقل (الشكل 1). علاوة على ذلك ، عندما وصفوا خصائص STO العازلة أسفل الغاز ، لاحظوا ميزات تنسب بشكل عام إلى المركبات الحديدية الكهربائية: عندما يتم عكس قطبية الجهد المطبق عبر STO ، يتم إنتاج ارتفاع تيار الشحن. ترتبط هذه الظاهرة عادة بعكس ثنائي القطب الكهربائي في المواد الكهروضوئية ،13 .

من الألمنيوم ، مما يؤدي إلى تكوين غاز إلكترون (طبقة من الإلكترونات عالية الحركة) على سطح STO. تُظهر الإلكترونات الموجودة في الغاز اقترانًا تدور حول مداره - يدور الزوجان إلى لحظة العزم. يحول هذا التأثير تيار الدوران إلى تيار شحن تقليدي (تشير الدوائر الحمراء إلى شحنات الإلكترون). قام المؤلفون بتطبيق جهد عبر STO العازل تحت غاز الإلكترون لتغيير علامة اقتران مدار تدور ، وبالتالي اتجاه تيار الشحنة. يظهر STO العازل سلوكًا مدهشًا يشبه الكهرباء الحديدية: فهو يحتوي على استقطاب كهربائي عام يعتمد اتجاهه (سهم كبير) على الجهد المطبق. الاستقطاب يبقى في غياب مجال كهربائي ؛ وهذا يسمح بالتحكم الدائم في اقتران مدار السبين وبالتالي في اتجاه تيار الشحنة.

يحتوي نظام المؤلفين على تطبيقات محتملة للإلكترونيات الس spينية ، لأنه يعمل بمثابة كاشف دوران ، يشبه المستقطبات الضوئية التي تنقل الضوء المستقطب فقط على طول اتجاه معين. علاوة على ذلك ، عندما يتم عكس قطبية الجهد المطبق ، تتغير انتقائية مرشح الدوران بحيث تتحرك الإلكترونات مع استقطاب `` الدوران '' يمينًا ، بدلاً من اليسار. بشكل حاسم ، تبقى هذه الانتقائية في غياب الجهد المطبق. هذا يقلل من استهلاك الطاقة ويفتح التطبيقات لتخزين الذاكرة.

تمت ملاحظة سلوك شبيه بالكهرباء الحديدية سابقًا في STO (انظر المرجع 14-16 ، على سبيل المثال). ومع ذلك ، فإن خصوصية التأثير الذي لاحظه نويل وزملاؤه هو أنه لا يحدث إلا عندما يتجاوز المجال الكهربائي المطبق قيمة حرجة. وهذا يثير المخاوف: لا تظهر المواد الكهربية الحديدية الحقيقية الاستقطاب إلا في الحقول العالية ؛ إنها حالة ذاتية تحدث حتى في غياب مجال كهربائي خارجي. تشير بيانات نويل وزملائه إلى أن شيئًا مشابهًا لحالة "الاسترخاء" يحدث في نظامهم عند درجات حرارة منخفضة ، حيث يتكون جزء من STO من نطاقات بمقياس نانومتر لها استقطاب كهربائي ، وتحريكها أو إعادة توجيهها في تطبيق كهربائي. حقل. على النقيض من ذلك ، فإن جميع المواد الموجودة في مركب حديدي كهربائي حقيقي مستقطبة.

يمكن للمرء أن يتكهن بأن حركة الجدران القطبية 17 - الحدود التي تتشكل بين مجالين STO لها اتجاهات بلورية مختلفة 18 - تنتج طفرات التيار التي لاحظها نويل وزملاؤه. ولكن قد تكون هناك آليات مجهرية أخرى تلعب دورًا ، نظرًا لثراء السلوك الإلكتروني لـ STO ؛ العيوب النقطية المنتجة في STO أثناء تصنيع جهاز المؤلفين يمكن أن يكون لها دور أيضًا. يزدهر البحث في جدران النطاق في STO حاليًا ، وربما يجد تفسيرًا للسلوك المرصود. في غضون ذلك ، يوضح عرض المؤلفين لمحول دائم لاقتران الدوران والمدار في واجهة من أكسيد معقد إمكانية هذه الفئة من المواد للتنافس في السباق من أجل حوسبة أكثر كفاءة.