המרוץ לנחושת

חוקרים שואפים להזניק את המהפכה השנייה בתחום הספינטרוניקה – ולהגדיל משמעותית את נפח הזיכרון במכשירים האלקטרוניים שלנו

לפני 30 שנה הכילו המחשבים הביתיים כמות מזערית של מידע. מחשב היה מאובזר בממוצע בזיכרון קשיח בנפח של מספר מגה בתים בודדים, ונדרשנו כל הזמן להעתיק ולמחוק תוכנות בגלל חוסר מקום. ואז, כמעט בין לילה, האנושות זרקה את הדיסקטים.

“פתאום היה בום של דאטה”, נזכר ד”ר אמיר קפואה מהמחלקה לפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית בירושלים. “יצאו לשוק דיסקים קשיחים בנפחים של גיגה בית ואחר כך טרה בית – נפחים שהיו דמיוניים עד אז. המהפכה הזאת בעולם הזיכרון נולדה כתוצאה ממהפכה בענף הספינטרוניקה. כידוע, לכל אלקטרון יש ספין – הוא כאילו מסתובב סביב עצמו, כמו סביבון. אם נזרים זרם חשמלי במעגל, הוא יזרום באקראי: אלקטרון אחד יהיה עם ספין למעלה, אחד עם ספין למטה, אחד למעלה ואחד למטה. בלגן. אבל אם נצליח לסדר את כל הספינים כך ש’יצביעו’ לכיוון אחד, נוכל לנצל תכונה נוספת של האלקטרונים שזורמים במעגל, מעבר למטענם. תכונה זו היא התנע הזוויתי הספיני שלהם. כך נוכל לחלץ עוד מידע ולבצע עוד פעולת חישוב. הדיסק הקשיח הוא המוצר הספינטרוני הראשון: הוא מבוסס על ההתנגדות המגנטית העצומה לזרמים מקוטבי ספין”.

מה השאלה? מדוע כדאי להניע אלקטרונים במסילות?

ד”ר קפואה – שעשה את הפוסט-דוקטורט שלו באותה קבוצה ב-IBM שפיתחה את הדיסק הקשיח – מספר שעולם הספינטרוניקה חווה היום מהפכה שנייה: את הזרמים מקוטבי הספין מתחילים לשזור במעבדים עצמם, כך שהטרנזיסטור כולו הופך לבית של זיכרון.

“לטכנולוגיה הזאת שמשלבת את הרכיב הספינטרוני בתוך המעבד יש יתרונות מובהקים”, מסביר ד”ר קפואה. “היא זולה, היא חסכונית, היא לא נדיפה, אפשר לצופף אותה ועוד. אבל יש כאן בעיה אחת: הכתיבה שלה איטית. או, במילים אחרות, צריך להשקיע הרבה אנרגיה כדי לכתוב מהר. לכן, טרנזיסטור הזיכרון, שנשמע אידיאלי על הנייר, נמצא בשימוש רק בכ-5% מהיישומים. עולם הזיכרון מחכה לפתרון לבעיית המהירות.

ב-15 השנים האחרונות מדענים מחפשים אחר אפקטים פיזיקליים שיכולים לקטב ספינים ביעילות, כדי לפתור את בעיית המהירות. אחד האפקטים האלה הוא ה”ספין הול אפקט” (Spin Hall Effect), שמאפשר לקטב ספינים בדרך של הזרמת זרם במתכות. אלא שאותן מתכות מוכרחות להיות כבדות, כלומר, יקרות, והקיטוב אינו יעיל מספיק. ד”ר קפואה ושותפיו למחקר זכו במענק מהקרן הלאומית למדע, במטרה לבדוק כיוון אחר: האורביטל הול אפקט (Orbital Hall Effect).

במקום להשתמש בסיבוביות של הספין סביב עצמו כדי להעביר את המידע על התנע זוויתי, אפשר להשתמש בתנע של המסלול שבו האלקטרונים נעים.

“במקום להשתמש בסיבוביות של הספין סביב עצמו כדי להעביר את המידע על התנע זוויתי, אני יכול להשתמש בתנע של המסלול שבו האלקטרונים נעים”, אומר ד”ר קפואה. “אני יכול להצמיד שני אטומים זה לזה, והאלקטרון יעבור מהמסילה של האחד למסילה של השני וכך הלאה – וזה יאפשר העברה של תנע זוויתי בשיטה אחרת. מדובר בפריצת דרך: השימוש במסילות במקום בספינים פותח את עולם הספינטרוניקה למתכות פשוטות. הספין הול אפקט דורש מתכות כמו פלטינה, שמחירה עומד על 28,000 דולר לק”ג. אנחנו היינו הראשונים בעולם שהראינו קיטוב ספינים בעזרת אורביטל הול אפקט באלומיניום ובנחושת. אלומיניום עולה היום 2.5 דולר לק”ג, ונחושת – כ-8 דולר לק”ג. המחקר כבר פורסם ב-Physical Review B, וחוקרי ספינטרוניקה אחרים כבר הוכיחו שהאפקט אפשרי גם במתכות זולות אחרות”.

לצורך הדגמת האורביטל הול אפקט, פיתחו חברי הקבוצה של ד”ר קפואה שיטת מדידה חדשה. לשיטה החדשנית שלהם הם קראו Ferris, שכן שהיא מבוססת על דיסק שעליו מצמידים מגנטים חזקים שמסתובבים במהירות רבה אשר מאפשר להגדיל את הרגישות לזרמים מקוטבי ספין שנוצרים בשבב. מקור השם במשחק מילים המורכב מהמילה הלטינית לברזל, Ferrum, ומשמו של ממציא הגלגל הענק בפארקי השעשועים, שעל שמו נקרא גלגל זה – Ferris Wheel.

“בטכנולוגיה שפיתחנו, אנו מניעים את האלקטרונים במסילות מוגדרות במתכות הפשוטות ובסוף ומתאימים אותן לספינים. התוצאה היא גנרציה של אלקטרונים מקוטבי ספין שנעים במעגל – ואת היצור הזה אנחנו כבר מכירים. לכן, ההתקן שפיתחנו מורכב ממספר שכבות שביסודן השכבה של המתכת הפשוטה שבה מתחולל האורביטל הול אפקט, ומעליה אנו מצמידים שכבה דקה מאוד – בעובי של שני אטומים בלבד של המתכת הכבדה, כמו פלטינה,  שמצמדת את התנע הזוויתי של המסילה לספין. כך אנחנו נהנים משני העולמות: מהמחיר של האורביטל הול אפקט ומהשליטה בקיטוב הספינים שמאפשרת שכבת ההמרה; והכל מיוצר פה אצלנו, בייצור ישראלי כחול-לבן”.