يهدف الباحثون إلى إطلاق الثورة الثانية في مجال الإلكترونيات السبينية - وزيادة حجم الذاكرة في أجهزتنا الإلكترونية بشكل ملحوظ
قبل 30 عامًا، كانت أجهزة الكمبيوتر المنزلية تحتوي على قدر ضئيل من المعلومات. في المتوسط، تم تجهيز جهاز الكمبيوتر بذاكرة صلبة بحجم عدة ميغابايت واحدة، وكنا مطالبين باستمرار بنسخ البرامج وحذفها بسبب نقص المساحة. ثم، بين عشية وضحاها تقريبًا، تخلصت البشرية من الأقراص.
"فجأة حدثت طفرة في البيانات"، يتذكر الدكتور أمير كابوا من قسم الفيزياء التطبيقية في الجامعة العبرية في القدس. "لقد ظهرت في السوق الأقراص الصلبة ذات الأحجام التي تصل إلى الجيجابايت ومن ثم التيرابايت، وهي أحجام كانت خيالية حتى ذلك الحين. ولدت هذه الثورة في عالم الذاكرة نتيجة للثورة في صناعة الإلكترونيات السبينية. كما نعلم، كل إلكترون لديه دوران - يبدو أنه يدور حول نفسه، مثل القمة. إذا كان التيار الكهربائي يتدفق في دائرة، فإنه سوف يتدفق بشكل عشوائي: إلكترون واحد سيكون ذو دوران لأعلى، وإلكترونًا مع دوران لأسفل، وإلكترونًا لأعلى وواحدًا لأسفل. فوضى. ولكن إذا تمكنا من ترتيب جميع الدورات بحيث "تشير" في اتجاه واحد، فيمكننا الاستفادة من خاصية أخرى للإلكترونات التي تتدفق في الدائرة، بما يتجاوز شحنتها. هذه الخاصية هي الزخم الزاوي للدوران. بهذه الطريقة يمكننا استخراج المزيد من المعلومات وإجراء عملية حسابية أخرى. القرص الصلب هو أول منتج إلكتروني سبيني: فهو يعتمد على المقاومة المغناطيسية الهائلة للتيارات المستقطبة السبينية.
ما هو السؤال؟ لماذا من المفيد تحريك الإلكترونات في القضبان؟
يقول الدكتور كابوا - الذي حصل على درجة ما بعد الدكتوراه في نفس المجموعة في IBM التي طورت القرص الصلب - إن عالم الإلكترونيات السبينية يشهد ثورة ثانية اليوم: حيث بدأت التيارات القادمة من أقطاب الدوران تتشابك في المعالجات نفسها بحيث يصبح الترانزستور بأكمله بيتًا للذاكرة.
يوضح الدكتور كابوا: "تتمتع هذه التقنية التي تدمج المكون الإلكتروني السبيني داخل المعالج بمزايا مميزة". "إنها رخيصة، واقتصادية، وغير متطايرة، ويمكنك مزاحمتها وأكثر من ذلك. ولكن هناك مشكلة واحدة هنا: كتابتها بطيئة. أو بعبارة أخرى، عليك أن تستثمر الكثير من الطاقة لتتمكن من الكتابة بسرعة. لذلك، فإن ترانزستور الذاكرة، الذي يبدو مثاليًا على الورق، يُستخدم فقط في حوالي 5% من التطبيقات. عالم الذاكرة ينتظر حلاً لمشكلة السرعة.
على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية، ظل العلماء يبحثون عن التأثيرات الفيزيائية التي يمكنها استقطاب السبينات بشكل فعال لحل مشكلة السرعة. أحد هذه التأثيرات هو "تأثير قاعة السبين"، الذي يجعل من الممكن استقطاب السبينات عن طريق تمرير تيار عبر المعادن. لكن تلك المعادن يجب أن تكون ثقيلة، أي غالية الثمن، كما أن الاستقطاب ليس فعالا بما فيه الكفاية. فاز الدكتور كابوا وشركاؤه البحثيون بمنحة من مؤسسة العلوم الوطنية، بهدف اختبار اتجاه آخر: تأثير القاعة المدارية.
بدلًا من استخدام دوران الدوران حول نفسه لنقل المعلومات حول الزخم الزاوي، يمكن للمرء استخدام زخم المدار الذي تتحرك فيه الإلكترونات.
يقول الدكتور كابوا: «بدلاً من استخدام دوران الدوران حول نفسه لنقل المعلومات حول الزخم الزاوي، يمكنني استخدام زخم المدار الذي تتحرك فيه الإلكترونات». "يمكنني ربط ذرتين ببعضهما البعض، وسيتحرك الإلكترون من مسار إحداهما إلى مسار الأخرى وهكذا - وهذا سيسمح بنقل الزخم الزاوي بطريقة مختلفة. يعد هذا إنجازًا كبيرًا: إن استخدام القضبان بدلاً من الدوران يفتح عالم الإلكترونيات السبينية للمعادن البسيطة. ويتطلب تأثير قاعة الدوران معادن مثل البلاتين، الذي يبلغ سعره 28,000 ألف دولار للكيلوغرام الواحد. لقد كنا الأوائل في العالم الذين أظهروا استقطاب الدوران باستخدام تأثير القاعة المدارية في الألومنيوم والنحاس. يكلف الألمنيوم اليوم 2.5 دولار للكيلوغرام الواحد، والنحاس - حوالي 8 دولارات للكيلوغرام الواحد. وقد تم نشر البحث بالفعل في مجلة Physical Review B، وقد أثبت باحثون آخرون في مجال الإلكترونيات السبينية أن التأثير ممكن أيضًا في معادن رخيصة أخرى.
لغرض توضيح تأثير القاعة المدارية، قام أعضاء مجموعة الدكتور كابوا بتطوير طريقة قياس جديدة. أطلقوا على طريقتهم المبتكرة اسم Ferris، لأنها تعتمد على قرص متصل به مغناطيسات قوية تدور بسرعة عالية، مما يسمح بزيادة الحساسية للتيارات المستقطبة المغزلية المتولدة في الشريحة. أصل التسمية هو تلاعب بكلمات مكونة من الكلمة اللاتينية التي تعني الحديد، وهي Ferrum، واسم مخترع العجلة العملاقة في الملاهي، والذي سُميت هذه العجلة باسمه – عجلة فيريس.
"في التكنولوجيا التي قمنا بتطويرها، نقوم بتحريك الإلكترونات في مسارات محددة في المعادن البسيطة وفي النهاية وتكييفها مع السبينات. والنتيجة هي جيل من الإلكترونات المستقطبة التي تتحرك في دائرة - ونحن نعرف هذا المخلوق بالفعل. ولذلك فإن الجهاز الذي قمنا بتطويره يتكون من عدة طبقات، قاعدتها هي طبقة المعدن البسيط الذي يحدث فيها تأثير هول المداري، وفوق ذلك نعلق طبقة رقيقة جداً - سمكها ذرتان فقط - من المعدن. المعادن الثقيلة، مثل البلاتين، التي تربط الزخم الزاوي للسكة بالدوران. بهذه الطريقة نستمتع بالعالمين: سعر تأثير هول المداري والتحكم في استقطاب الدوران الذي تسمح به طبقة التحويل؛ كل شيء يُصنع هنا معنا، بإنتاج إسرائيلي باللون الأزرق والأبيض".
الحياة نفسها:
أمير متجمد
"أنا منبهر حقًا بكل الأفكار الجديدة والتقنيات الجميلة والعلوم الخاصة التي يكتشفها الطلاب ويظهرونها. من الممتع القدوم إلى المختبر ورؤية طلابنا والاستماع إليهم! ولكن هذه مجرد هواية. العمل الحقيقي هو أمام ماكينة القهوة الجماعية، ومحادثات لا حصر لها وثقافة القهوة التي تتحسن كل عام - والجميع مدعوون!"
