استفاده از میدان الکتریکی برای کنترل اسپین الکترون‌ها

محققان Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) و مرکز تحقیقاتی CNRS در جنوب پاریس از یک
میدان الکتریکی برای دستکاری اسپین الکترون‌ها استفاده می‌کنند تا بتوانند اطلاعات
را به صورت دائمی ذخیره کنند. این فناوری نه تنها حافظه‌های با دسترسی اتفاقی را در
رایانه‌ها بهبود می‌بخشد، بلکه می‌تواند نسل بعدی ابزارهای الکترونیکی را متحول
کند.

این حافظه جدید از پدیده‌ای به نام مقاومت مغناطیسی تونلی یا TMR (“tunnel
magnetoresistance”) بهره می‌برد. در این حافظه دو لایه نازک از ماده مغناطیسی توسط
یک لایه عایق به ضخامت تنها یک میلیونیوم میلی‌متر از هم جدا می‌شوند. با وجودی که
لایه عایق اجازه عبور الکترون‌ها را از یک لایه یه لایه دوم نمی‌دهد، برخی از
حامل‌های بار می‌توانند از این لایه عبور کرده و از یک سمت به سمت دیگر بروند (شبیه
لغزیدن از طریق یک تونل). این ویژگی یکی از رفتارهای کوانتومی عجیب آنهاست. ویژگی
دیگری که در این حافظه مورد استفاده قرار می‌گیرد، ممان زاویه‌ای الکترون‌هاست که
فیزیکدان‌ها به آن اسپین می‌گویند. یک الکترون می‌تواند یکی از دو حالت اسپینی
«بالا» یا «پایین» را داشته باشد.

اگر اسپین الکترون‌ها در دو لایه مغناطیسی مشابه هم باشند، تونل‌زنی الکترون‌ها
بسیار راحت‌تر از زمانی اتفاق می‌افتد که بیشتر الکترون‌ها در یک لایه اسپین بالا و
در لایه دیگر اسپین پایین داشته باشند. می‌توان از چنین ابزاری برای ایجاد
حافظه‌هایی که قابلیت نوشتن اطلاعات به صورت سریع و پشت سر هم را دارند، بهره برد؛
همچنین این ابزار می‌تواند اطلاعات را به صورت دائمی ذخیره کند.

تاکنون حافظه‌های مبتنی بر TMR که MRAM نامیده می‌شوند، به میدان مغناطیسی نسبتاً
قوی و در نتیجه انرژی بسیار بالایی برای نوشتن اطلاعات نیاز داشتند. حال وینسنت
گارسیا و مانوئل بایبز از مرکز تحقیقاتی CNRS نشان داده‌اند که این روند می‌تواند
تغییر کند. آنها لایه عایق را از تیتانات باریوم ساختند. سرجیو والنسیا و فلورین
کروناست از HZB از طیف‌سنجی جذبی اشعه ایکس برای مطالعه ترکیب شیمیایی لایه‌های
مغناطیسی این ساندویچ استفاده کردند.

این دانشمندان از یک میدان الکتریکی برای تغییر (سوئیچ‌زنی) لایه عایق بهره بردند،
به نحوی که این لایه بر اسپین الکترون‌های موجود در هر دو لایه مغناطیسی در دو سمت
خود تأثیر گذاشته و بدین ترتیب قابلیت تونل‌زنی‌آنها را تغییر دهد. از آنجایی که
این لایه عایق حتی زمان قطع کل جریان نیز حالت تغییریافته خود را حفظ می‌کند، از
این مدل می‌توان برای ایجاد حافظه‌های رایانه‌ای که انرژی بسیار کمی مصرف کرده و در
عین حال اطلاعات را به صورت دائمی ذخیره می‌کنند، بهره برد.

نتایج این تحقیق در مجله Science منتشر شده است.