ראשי > כללי > ממעבדת הפיזיקה לביתכם בפחות מ-10 שנים – על שסתום לספינים

ממעבדת הפיזיקה לביתכם בפחות מ-10 שנים – על שסתום לספינים

כאשר מדברים על שסתום הכוונה היא בדרך כלל לרכיב מכאני שמווסת זרימה של גז או נוזל בצנרת, לדוגמא ברז שסוגר או פותח את זרימת המים לכיור או הוונטיל בפנימית של גלגל האופניים.

Tap

איור 1: ברז מים שעליו מצויר המנגנון. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Chabacano.

גם טרנזיסטור הוא סוג של שסתום שמווסת זרם חשמלי. ההקבלה בין זרם מים לזרם חשמלי נובעת מההקבלה בין תנועה של מולקולות מים ממקום למקום לתנועה של אלקטרונים. הטרנזיסטור משפיע על הזרם באמצעות יצירת שדה חשמלי הפועל על המטען החשמלי של האלקטרונים.

לאלקטרונים יש עוד משהו שהם גוררים איתם ממקום למקום והוא הספין. האם ניתן לווסת את תנועתם של האלקטרונים גם תוך שימוש בתכונת הספין, כלומר האם ניתן לייצר שסתום לספינים? התשובה חיובית, ולמעשה לכל אחד מכם יש לפחות אחד כזה בבית.

ברוכים הבאים לתחום הספינטרוניקה.

מבוא קצרצר – ספינים, מומנט מגנטי ו-MR

הספין הוא תכונה קוונטית של חלקיקים. עבור אלקטרונים נוח לדמיין אותו (גם אם זה לא נכון) כסבסוב של האלקטרון סביב צירו. הסבסוב יכול להתבצע עם או נגד כיוון השעון ולכן יכול לקבל אחד משני מספרים קוונטיים שווים בגודלם והפוכים בסימנם. הספין הוא הגורם להופעה של המומנט המגנטי הפנימי של האלקטרון. את המומנט המגנטי קל לדמיין כחץ המצביע לכיוון כלשהו. כאשר החץ נמצא תחת השפעה של שדה מגנטי, הוא יסתובב ויצביע לכיוון השדה.

חומרים פרומגנטיים הם חומרים שבהם למומנטים המגנטיים הנובעים מהספין יש נטייה להסתדר באותו כיוון באופן ספונטני גם ללא הפעלה של שדה חיצוני. כאשר כל המומנטים המגנטיים בחומר מצביעים לאותו כיוון החומר יהיה מגנטי ונוכל למשל להדביק אותו למקרר.

כבר ב-1856 גילה הפיזיקאי וויליאם תומפסון (הידוע כלורד קלווין) שניתן להשפיע על ההתנגדות החשמלית של חוט ברזל על ידי הפעלה של שדה מגנטי חיצוני. תופעה זאת נקראת באופן כללי magnetoresistance או בקיצור MR, ויש מספר מנגנונים הגורמים לה. כמו כן, נמצאו לה מספר שימושים למשל בראשי קריאה של דיסקים מגנטיים ובחיישני שדה מגנטי.

גדול, ענק, בינלאומי! GMR

בעולם המדע לא חסרים מקרים משונים. במשך 120 שנים, מימי תומפסון ועד שנות ה-80 של המאה ה-20, לא חלה כל התקדמות בנושא רגישות ה-MR. ואז, כמעט בו זמנית, גילו שתי קבוצות מחקר תופעה חדשה ומסעירה: MR מסוג חדש שגורם לשינויים ענקיים בהתנגדות החשמלית, הרבה יותר ממה שהיה מוכר עד אז. עקב כך התופעה נקראה Giant MagnetoResistance או בקיצור GMR. עקב הגילוי זכו בשנת 2007 פיטר גרונברג (Grünberg) ואלברט פרט (Fert) בפרס הנובל לפיזיקה.

האפקט בא לידי ביטוי בחומרים המורכבים מסדרת שכבות דקות (כמה שכבות אטומיות בלבד) של חומרים פרומגנטיים ומתכות רגילות (לא מגנטיות) הצמודות אחת לשניה בסדר מתחלף (ראו איור 2). בזמן הגילוי החומרים ששימשו את החוקרים היו ברזל כחומר פרומגנטי וכרום כמתכת רגילה. עיקר החדשנות לא היתה מוגבלת רק לגילוי אפקט חזק יותר. גרונברג ופרט הראו שמה שמתרחש במערכות האלה אינו ניתן להסבר על ידי המנגנונים המוכרים ל-MR.

GMR spin valve

איור 2: GMR. חלק עליון) מבנה שכבות של שסתום ספינים. בכחול חומרים פרומגנטיים ובכתום מתכת רגילה. כאשר הספין של האלקטרון בכיוון המגנטיזציה, הסיכוי לפיזור גבוה יותר. חלק תחתון) נשרטט מעגל חשמלי שקול שבו אזור עם סיכוי גבוה לפיזור מסומן על ידי התנגדות חשמלית גבוהה ולהיפך. המקור לאיור: ויקיפדיה.

אז איך זה עובד?

נניח לשם פשטות שיש לנו 3 שכבות: שתי שכבות פרומגנטיות המופרדות על ידי שכבת מתכת לא מגנטית. את הזרם החשמלי נעביר בכיוון ניצב לשכבות כך שהאלקטרונים חייבים לעבור דרך כל שלושת השכבות בין שתי האלקטרודות. כמו כן נייצר את השכבות כך שכיוון המגנטיזציה של כל שכבה פרומגנטיות הפוך ביחס לשכבה הפרומגנטית האחרת (ראו איור 2). באמצעות הפעלה של שדה מגנטי חיצוני ניתן לסובב את כיוון המגנטיזציה באחת השכבות כך שכיוונן יהיה זהה.

עובדה נוספת שיש לדעת היא שיש הבדל גדול בין ההתנגדות החשמלית של שכבה פרומגנטית עבור אלקטרונים עם ספין בכיוון המגנטיזציה לבין ההתנגדות עבור אלקטרונים בכיוון ספין הפוך. לספינים ולמומנטים מגנטיים בכיוון הפוך אין על מה לדבר אחד עם השני ולכן הספינים עוברים ללא הפרעה. לעומת זאת אם הם באותו כיוון הספינים עוצרים לקשקש ביחד עם הרבה מומנטים ויותר קשה להם לעבור.

נניח שחצי מהאלקטרונים שמהווים את הזרם החשמלי הם בעלי ספין בכיוון מסוים וחצי בכיוון ההפוך, כלומר במעבר בחומר הפרומגנטי חציים בכיוון המגנטיזציה וחציים בכיוון ההפוך.

ללא הפעלת שדה מגנטי חיצוני כיוון המגנטיזציה בשני האזורים הפרומגנטיים הפוך. כלומר כל אלקטרון, ללא תלות בכיוונו, יעבור פעם אחת באזור בעל התנגדות גבוהה ופעם אחת בהתנגדות נמוכה (ראו איור 2). לעומת זאת, כאשר מפעילים שדה מגנטי כיוון המגנטיזציה בשני האזורים הפרומגנטיים זהה. כתוצאה מכך חצי מהאלקטרונים יעברו שני אזורים בהתנגדות נמוכה והחצי השני יעברו פעמיים בהתנגדות גבוהה. אם ההפרש בין התנגדות הגבוהה לנמוכה גדול, ניתן להראות שההתנגדות במקרה ללא שדה מגנטי גבוהה בהרבה מההתנגדות במקרה עם שדה. הפעלת השדה החיצוני הקטינה באופן משמעותי את ההתנגדות החשמלית מכיוון שחצי מהאלקטרונים תמיד יעברו בקלות וישמשו כסוג של קצר במעגל החשמלי.

ההפרש בין ההתנגדויות החשמליות של שני המקרים (עם ובלי שדה) הוא ה-GMR, והרכיב המתואר מתפקד בעצם כשסתום לספינים (spin valve) המווסת זרם חשמלי באמצעות שדה מגנטי (ראו איור 3). דבר נוסף שניתן לעשות הוא לנטר את הזרם החשמלי ברכיב וכך למדוד שינויים בשדה המגנטי החיצוני. בצורה זאת יכול הרכיב לשמש כגלאי שדה מגנטי.

Spin valve

איור 3: שסתום ספינים. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש A13ean.

משנת 1997 (פחות או יותר) כל ראשי הקריאה בדיסקים הקשיחים במחשב מכילים רכיב GMR כגלאי. הביט המגנטי בדיסק הוא בעצם אזור עם מגנטיזציה בכיוון מסוים שמייצרת שדה מגנטי. כאשר ראש הקריאה קרוב לאזור הביט, השדה ישנה את התנגדות רכיב ה-GMR וכך יוכל להבדיל בין ביט '0' או '1' (קישור לסרטון נחמד של IBM).

HD head

תמונה 4: רכיבי הקריאה והכתיבה בקצה הזרוע בתוך דיסק קשיח. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

מכיוון שה-GMR הוא אפקט חזק יותר ממה שהיה בשימוש קודם לכן, נוכל לגלות בעזרתו אותות חלשים יותר ולכן ניתן ליצר ביטים קטנים יותר בצפיפות גבוהה יותר על גבי דיסק של זיכרון מגנטי.

טראבייטים-היר-איי-קאם. הידד!

מודעות פרסומת

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: