آیا آینده ترانزیستور با کنترل اسپین الکترون گره خورده است؟
به گزارش مجله کالارنا، همانطور که دستگاه های ما کوچک تر، سریع تر و از نظر انرژی کارآمدتر می شوند، کم کم قادر خواهند بود که مقادیر بیشتری از داده ها را در خود نگهداری نمایند. درواقع ممکن است خیلی زود حوزه جدیدی به نام اسپینترونیک Spintronics ادامه دهنده این جهت باشد. درست به همان شکلی که دنیای الکترونیک بر اساس جریان الکترون ها شکل گرفته است، دنیای اسپینترونیک با کنترل اسپین الکترون ها ظهور پیدا می نماید! اما اِسپینترونیک دقیقا چیست و چه ربطی به قطعاتی همانند ترانزیستور دارد؟
اِسپینترونیک در کنار الکترونیک دنیای مدرن را می سازد!
همانطور که می دانید یک الکترون همانند دیگر ذرات، دارای درجه آزادی ای به نام اسپین است؛ به این معنی که نه تنها باردار است، بلکه مانند یک آهنربای کوچک هم عمل می نماید. با توجه به همین مساله هم در حوزه اسپینترونیک، کلید کار در استفاده از میدان الکتریکی برای کنترل اسپین الکترون و چرخاندن قطب شمال این آهنربای کوچک در جهت های مشخص است. به طور کلی اثر میدان اسپینترونیک می تواند طی پدید ه ای به نام اثر راشبا یا جفت شدگی اسپین- مدار درسلهاوس (Dresselhaus spin-orbit coupling effect) قطعه ای به نام ترانزیستور را مهار کند! درواقع این اتفاق با کنترل اسپین الکترون با میدان الکتریکی اتفاق می افتد!
اگرچه کنترل اسپین الکترون به این روش، نویدبخش محاسبات کارآمدتر و پرسرعت تر در عصر اطلاعات است، اما قبل از اینکه این فناوری به مرحله ظهور برسد، همانند هر چیز دیگری، باید بر چالش های خاص آن غلبه کرد.
ترانزیستور اسپینترونیک چیست؟
جالب است بدانید که برای دهه ها، دانشمندان در کوشش بودند تا با استفاده از میدان های الکتریکی اسپین را در دمای اتاق کنترل نمایند، اما این موفقیت تا به امروز قابل دستیابی نبود! به همین دلیل طی مقاله ای که اخیراً در مجله 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 می گردد. درواقع اگر میدان مغناطیسی راشبا ضعیف باشد، اسپین الکترون به آرامی می چرخد. 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 می برد. در عین حال ضروری 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 منحصربه فرد و جفت شدگی قوی اسپین- مدار است، به عنوان یک گزینه امیدوارنماینده 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 می تواند به بهبود و توسعه اصول طراحی در خلق ترانزیستور اثر میدان اسپینی، در دمای اتاق یاری کند. گفتنی است که پروسکایت ها مجموعه ای از ترکیبات هم شکل با فرمول ساختاری ABO3 است که ساختمانی مکعبی شکل دارد. اولین نمونه کشف شده از پروسکایت ها ترکیبی معدنی با فرمول CaTiO3 در سال 1831 بود.
طی این تحقیقات میدان مغناطیسی داخلی (که بر پروسکایت کریستالی شکل اعمال می گردد!) هم بزرگ است و هم به طور دقیق در یک جهت توزیع می گردد. بنابراین چنین شرایطی به اسپین ها اجازه چرخش هماهنگ و متناوبی را می دهد. درواقع چرخش متناوب و هماهنگ اسپین ها در چنین شرایطی یک احتیاج کلیدی برای استفاده از اسپین الکترون ها برای انتقال مطمئن اطلاعات است! دکتر شی اذعان دارد که این تحقیقات یک گام رو به جلو به سوی تحقق عملی ترانزیستور اسپینترونیک است!
منبع اصلی مقاله:
Room-temperature electrically switchable spin-valley coupling in a van der Waals ferroelectric halide perovskite with persistent spin helix
منبع: ScienceDaily
منبع: دیجیکالا مگ