ארכיון

Posts Tagged ‘ספינטרוניקה’

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!

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 1: על מוליכות-על והמגנט החזק במזה"ת

נפגשתי עם אמיר סגל כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

אמיר הוא ירושלמי במקור וכיום מתגורר עם אשתו ובתו במודיעין. הוא גיטריסט בלהקת 'קוביאשי פורצלן'. את התואר הראשון עשה באוניברסיטה העברית וכיום מסיים את עבודת הדוקטורט בפיזיקה במעבדת הספינטרוניקה והשדות המגנטיים הגבוהים של פרופ. אלכסנדר גרבר באוניברסיטת תל-אביב.

אמיר, אז מה אתם עושים שם?

אנחנו מעוניינים לחקור ולהבין את ההשפעה של שדות מגנטיים על ההולכה החשמלית של חומרים בשכבות דקות. לשם כך, יש לנו במעבדה את המגנט החזק במזרח-התיכון, לפחות על פי הפעם האחרונה שבדקתי. מדובר באלקטרומגנט שהוא בעצם סליל מתכתי הדומה בצורתו לקפיץ (ראו איור). כאשר מזרימים דרכו זרם חשמלי, נוצר בתוך החלל הגלילי שדה מגנטי אחיד. לשם ביצוע מדידה מכניסים את הדגם, שאותו מעוניינים לחקור, לתוך חלל הסליל. על ידי שינוי הזרם ניתן לשלוט בעוצמת השדה המגנטי בדיוק רב, ולבדוק כיצד השינוי משפיע על המוליכות החשמלית של החומר הנבדק.

איור סכמטי של אלקטרומגנט. המקור: ויקיפדיה.

החומרים העיקריים שאנחנו חוקרים הם חומרים פרומגנטיים וחומרים מוליכי-על. מוליכי-על הם חומרים שבמידה ומקררים אותם מתחת לטמפרטורה מסוימת (הטמפרטורה הקריטית), ההתנגדות החשמלית שלהן יורדת לאפס. למשל עופרת עוברת למצב מוליכות-על בטמפרטורה 7.19 מעלות מעל האפס המוחלט (כלומר 266- מעלות צלזיוס). במצב מיוחד זה אין בזבוז אנרגיה במהלך זרימת החשמל בדגם והיא יכולה, באופן תיאורטי, להימשך לעד.

התופעה התגלתה כבר ב-1911, אבל רק בשנות ה-50 הצליחו למצוא לה הסבר. ההסבר קשור לכך שהאלקטרונים המשתתפים בהולכה החשמלית מסודרים בזוגות, ובין הזוגות המיוחדים של האלקטרונים ישנה משיכה במקום דחייה. הסבר זה זיכה את הוגיו בפרס הנובל בפיזיקה. בשנות ה-80 היתה התפתחות מעניינת נוספת, כאשר התגלתה משפחה של חומרים שהמעבר בה למצב מוליכות-על מתרחש בטמפרטורות גבוהות יחסית, חלקן מעל הטמפרטורה של חנקן נוזלי. עבור תופעה זאת אין הסבר מניח את הדעת עד היום.

ומהם חומרים פרומגנטיים?

בכל חומר ישנם אלמנטים מגנטיים מיקרוסקופיים שנקראים המומנטים המגנטיים. האלקטרונים, למשל, נושאים את התכונה הזאת שנובעת מהספין שלהם. למומנטים המגנטיים בחומרים פרומגנטיים יש נטייה להסתדר באותו כיוון. חומרים שבהם כל המומנטים המגנטיים מצביעים לאותו כיוון יהיו מגנטיים ונוכל למשל להדביק אותם למקרר.

אז למה ברזל, שהוא פרומגנט, אינו תמיד מגנטי?

מכיוון שהמצב היציב של המומנטים המגנטים תלוי בהרבה פרמטרים. בדרך כלל, המומנטים המגנטיים יהיו מסודרים לאותו כיוון באזורים מוגבלים באורך של כמה מיקרונים. כל אזור כזה יצביע למקום אחר, כך שפיסת החומר כולה לא תהיה מגנטית. נוכל להשקיע אנרגיה ולגרום לכול המומנטים להצביע לאותו כיוון, למשל על ידי הפעלת שדה מגנטי חיצוני, ואז החומר יהפך למגנט קבוע (ראו איור).

איור סכמטי של סידור המומנטים המגנטיים באזורים נפרדים. המקור: ויקיפדיה.

למה החומרים האלה מעניינים?

משתי סיבות עיקריות: הסיבה הראשונה היא שיכולים להיות להם יישומים טכנולוגיים שאולי נגיע אליהם בהמשך. הסיבה השניה היא שלמרות שהחומרים האלה ידועים למדע כבר הרבה שנים, דברים רבים לגבי הפיזיקה שמכתיבה את התופעות הללו אינה מובנת.

אז מה רציתם לבדוק אצלכם במעבדה?

אחד הפרויקטים שעבדתי עליהם היה לחקור תערובת של חומרים פרומגנטיים ומוליכי-על.

למה?

כי יש בהם משהו שהוא סותר באופן בסיסי. זוגות האלקטרונים המיוחדים המשתתפים בהולכה בחומר מוליך-על מורכבים משני אלקטרונים בעלי מומנט מגנטי בכיוון הפוך. לעומת זאת, כפי שהזכרתי קודם, בחומרים פרומגנטיים הנטייה של המומנטים המגנטיים היא להסתדר באותו כיוון. זוג אלקטרונים ממוליך-העל שימצא את עצמו פתאום בחומר פרומגנטי, עלול 'להרגיש שלא בנוח'. רצינו לדעת כיצד יתנהג החומר במצב זה.

ומה גיליתם?

לצערי, בהתחלה לא הרבה. מסתבר שכאשר ערבבנו את החומרים שהשתמשנו בהם, ניקל פרומגנטי ועופרת מוליכת-על, התקבלה ערבוביה של גרגירי ניקל, גרגירי עופרת וגרגירים של תרכובת בין הניקל והעופרת. היווצרות התרכובת לא היתה צפויה ומנעה מאיתנו להגיע למסקנות ברורות לגבי הנושא אותו רצינו לבדוק.

ניסינו להתגבר על הבעיה בכל מיני שיטות וזה לא בדיוק עבד. אך בזמן שעבדנו על פתרון הבעיה, נתקלנו בתופעה מעניינת לא פחות. משהו לא צפוי שהופיע גם במדידת מוליכי-על וגם בפרומגנטים, והצביע על קשר כלשהוא ביניהם.

מה ראיתם?

כאשר מודדים את ההתנגדות של חומר פרומגנטי כפונקציה של השדה המגנטי, התוצאה תמיד סימטרית. הכוונה היא שההתנגדות החשמלית של החומר בשדה מגנטי מסוים תישאר אותו דבר אם נהפוך את כיוון השדה (ראו איור). במדידות שביצענו במעבדה התקבלה תוצאה הכוללת אלמנט אנטי-סימטרי בנוסף לאות הסימטרי שאנו רגילים למצוא. האות האנטי-סימטרי הופיע בשלב בו המגנטיזציה של הדגם מתהפכת.

בו בזמן, מצאנו במוליכי-על תופעה דומה אך הפוכה. לתופעה אנטי-סימטרית ביחס לשדה המגנטי (מתח הול) התווסף אלמנט סימטרי באזור המעבר למצב מוליך-על.

איור סכמטי להמחשה של התנגדות חשמלית כפונקציה של שדה מגנטי.

אז מה הקשר בין שתי התופעות? הרי אלה חומרים שונים לחלוטין.

נכון, אבל מה שמקשר בין שתי התוצאות זה שבירת הסימטריה. משהו התווסף למערכת הפיזיקלית והוסיף כיווניות שונה מהצפוי. דבר זה יכול להיות למשל אי-הומוגניות של החומר. בתהליך הייצור של הדגם יכולים להיגרם כל מיני פגמים כמו חוסר אחידות בעובי או חדירה של אטומים זרים. 'הפרעות' אלה עלולות לגרום למשל לשינויים מקומיים בתנאים שבהם עובר החומר ממצב רגיל למצב מוליך-על. דבר זה יגרום לאזורים מסוימים בחומר להיות מוליכי-על בו בזמן שאזורים אחרים לא יהיו במצב זה, מה שיגרום להסטה של הזרימה החשמלית ולמתחים פנימיים שונים ומשונים, כפי שנצפו בניסויי.

אוקיי, הסבר מעניין. אבל, איך בדקתם אם התופעה שהוא מתאר אכן מתקיימת במציאות?

פשוט ייצרנו דגמים שבהם הייתה אי-הומוגניות שאנחנו יזמנו כמו שינוי הדרגתי בעובי או שינוי בסוג החומר. עבור מקרים אלה יכולנו להשתמש במודל שלנו כדי לנסות לחזות את תוצאת האי-הומוגניות ואותה לאשש בניסויים על דגמים אלה.

אז תסכם את הקשר בין שני סוגי החומרים.

בשני סוגי החומרים, מוליכי-על ופרומגנטים, יש נקודות קריטיות שקשורות בשדה המגנטי וגורמות לשינויים גדולים בהולכה החשמלית. במוליכי-על זה המעבר למצב מוליך-על ובפרומגנטים זה היפוך כיוון המגנטיזציה. חוסר ההומוגניות גורם לשינויים מרחביים בתכונות של החומר. סביב הנקודות הקריטיות, שינויים אלה באים לידי ביטוי וגורמים לשבירת הסימטריה, שזה בעצם מה שראינו בניסוי.

אז מה הצעד הבא?

לגבי הפרויקט הזה, החלטנו לנסות כיוון פעולה יותר יישומי. יש לנו כמה רעיונות איך לנצל חוסר הומוגניות לתכנון רכיבי זיכרון מגנטיים יעילים יותר מאלה הקיימים. כרגע אנחנו עובדים עליהם, ואולי יום אחד הם יוכלו להוות תחרות לזיכרונות הפלאש הפופולאריים.

———————————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו  🙂