تولید دریچه‌های اسپینی با مصرف انرژی کمتر

ابزارهایی که به نام دریچه‌های اسپینی شناخته می‌شوند، در حال حاضر در مواردی همچون حافظه‌های با دسترسی اتفاقی مغناطیسی (MRAMs) مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ اما لازم است کارایی این حافظه‌ها از طریق ایجاد ابزارهای کوچک‌تر با دانسیته بالاتر بهبود یابد. از طریق معکوس نمودن جهت‌گیری مغناطیسی آهنرباهای نانومقیاس با استفاده از یک جریان قطبیده می‌توان به این مهم دست یافت(به نام انتقال اسپین نیز شناخته می‌شود)، اما مشکل این است که هنوز هم جریان مورد نیاز برای معکوس نمودن این نانوآهنرباها نسبتاً بالاست. حال محققان فرانسوی و آمریکایی این جریان را برای یک ابزار به اندازه ۴۵ نانومتر تا حد ۱۲۰ میکروآمپر در دمای اتاق کاهش داده‌اند.

ابزارهایی که به نام دریچه‌های اسپینی شناخته می‌شوند، در حال حاضر در مواردی
همچون حافظه‌های با دسترسی اتفاقی مغناطیسی (MRAMs) مورد استفاده قرار می‌گیرند؛
اما لازم است کارایی این حافظه‌ها از طریق ایجاد ابزارهای کوچک‌تر با دانسیته
بالاتر بهبود یابد. از طریق معکوس نمودن جهت‌گیری مغناطیسی آهنرباهای نانومقیاس
با استفاده از یک جریان قطبیده می‌توان به این مهم دست یافت(به نام انتقال
اسپین نیز شناخته می‌شود)، اما مشکل این است که هنوز هم جریان مورد نیاز برای
معکوس نمودن این نانوآهنرباها نسبتاً بالاست. حال محققان فرانسوی و آمریکایی
این جریان را برای یک ابزار به اندازه ۴۵ نانومتر تا حد ۱۲۰ میکروآمپر در دمای
اتاق کاهش داده‌اند.

استفان مانگین از دانشگاه نانسی می‌گوید: «مدلسازی‌های قبلی نتایج ما را پیش‌بینی
کرده بودند، اما تاکنون به صورت تجربی این نتایج مشاهده نشده بودند».

دریچه‌های اسپینی ابزارهای اسپینترونیکی هستند که هم از اسپین الکترون و هم از
بار آن بهره می‌برند. این ابزارها عموماً از یک فیلم نازک فلزی که میان دو
الکترود فرومغناطیس قرار گرفته است، تشکیل می‌شوند.

انتقال اسپین زمانی صورت می‌گیرد که ممان زاویه‌ای حامل بار (معمولاً الکترون)
در یک ماده از نقطه‌ای به نقطه دیگر منتقل می‌شود. این پدیده منجر به بروز
چندین اثر فیزیکی مهم و قابل مشاهده می‌شود.

در مهم‌ترین این اثرات، جریانی با اسپین قطبیده که از یک آهن‌ربای نانومقیاس
عبور می‌کند، تمایل دارد بخشی از ممان زاویه‌ای اسپین خود را به آهن‌ربا منتقل
کند و در نتیجه گشتاور بسیار بزرگی به مغناطیسی شدن اعمال می‌کند. این امر
امکان دستکاری خاصیت مغناطیسی ماده را به صورت محلی به نحوی بسیار موثرتر از
استفاده صرف از میدان مغناطیسی فراهم می‌آورد و این خاصیت با کوچک‌تر شدن ابزار
قوی‌تر می‌شود. در صنعت MRAM، این اثر می‌تواند به کاهش مصرف انرژی کمک کند.
اما مانعی وجود دارد: دانسیته جریان مورد نیاز برای تغییر جهت‌گیری مغناطیسی
بالاتر از دانسیته جریان لازم برای ساختن ابزارهای قوی است. همچنین ادغام این
دریچه‌های اسپینی با فناوری CMOS نیاز به جریان بالاتری خواهد داشت.
حال شاید مانگین و همکارانش با ساخت یک درچه اسپینی به قطر ۴۵ نانومتر با
استفاده از عناصر چندلایه‌ای کبالت-نیکل بتوانند بر این مشکل غلبه کنند. چون
این ابزارها خاصیت آنیزوتروپی عمودی از خود نشان می‌دهند، از نظر حرارتی پایدار
بوده و بدون استفاده از میدان مغناطیسی، به جریانی معادل ۱۲۰ میکروآمپر برای
کلیدزنی انتقال اسپین نیاز دارند.

مانگین می‌گوید این کار محققان را ترغیب خواهد کرد به دنبال مواد جدیدی با اثر
مشابه بگردند. گروه پژوهشی وی می‌خواهند این ابزارها را با اتصالات تونلی ترکیب
نموده و مصرف انرژی را باز هم کاهش دهند.

نتایج این کار در Applied Physics Letters منتشر شده است.