זה לא ספין: הפוטנציאל הטכנולוגי של הספין

הסיפורים הטובים ביותר מַדָע

הצעד הבא בספינטרוניקה – חוטים מולקולריים יוצרים זרמי חשמל בעלי ספין אחיד

רבות מהפעולות שמבצעים המכשירים האלקטרוניים שלנו, החל ממחשב וכלה במכונית עם שלט, מבוססות על היכולת לתרגם זרמי אלקטרונים לפעולות או למידע. תרגום הזרמים מתבסס על זיהוי המטען החשמלי השלילי של האלקטרונים והבחנה בין מצב דלוק שיש בו זרם של אלקטרונים (1) למצב כבוי שאין בו זרם (0). במחקר חדש הצליחו חוקרים לפתח חוטים מולקולריים מפותלים חדשניים, המאפשרים לייצר זרמים עשירים באלקטרונים בעלי אותו מצב ספין (סחריר) ולהוליך אותם למרחקים גדולים. כך אפשר להשתמש במצב הספין כדי לבצע פעולות או להעביר מידע בהתקנים ספינטרוניים – התקנים אלקטרוניים מבוססי ספין.

חלקיקים בעלי ספינים בכיוונים מנוגדים | מקור: Laguna Design, Science Photo Library
החוקרים פיתחו חוטים מולקולריים המאפשרים לייצר זרם חשמלי עשיר באלקטרונים בעלי ספין אחיד. חלקיקים בעלי ספינים בכיוונים מנוגדים | מקור: Laguna Design, Science Photo Library

מה זה ספין?

לאלקטרון, כמו לחלקיקים אחרים, יש תכונות מוכרות יותר, כמו מסה ומטען חשמלי, ותכונות מוכרות פחות, כמו הספין. כדי להבין מהו ספין, נדמיין את האלקטרון כמעין מגנט כדורי זעיר שיכול להסתובב סביב עצמו עם כיוון השעון ולהיות במצב ספין “למעלה”, או נגד כיוון השעון ולהיות במצב ספין “למטה”. התיאור הזה אינו מדויק לגמרי מבחינה פיזיקלית, אבל הוא בהחלט שימושי כדי לקבל תחושה מהו ספין.

הטכנולוגיה הנקראת “ספינטרוניקה” משתמשת במצב הספין של האלקטרון, “למטה” או “למעלה”, וכן בזיהוי המצבים “יש זרם חשמלי” או “אין זרם חשמלי”, כדי לבצע פעולות או להעביר מידע. השימוש בספין כנשא מידע נוסף בהתקנים ספינטרוניים עשוי לאפשר להתקנים אלה לבצע פעולות חישוב מהר יותר מהתקנים אלקטרוניים סטנדרטיים, ובלי צורך בכמות גדולה של אנרגיה. בשנים האחרונות גם אופיו הקוונטי של האלקטרון, כלומר היכולת שלו להיות בו-בזמן במצב “למעלה” ובמצב “למטה” – מצב הנקרא “סופרפוזיציה קוונטית” – מעורר עניין כבסיס למחשוב קוונטי.

אבל בטמפרטורת החדר יש מספר זהה של אלקטרונים במצב של ספין “למעלה” או “למטה”. לכן האתגר הטכנולוגי הראשון הוא לצרוב מידע (0 או 1) על ידי יצירת זרם של אלקטרונים שלרובם ספין שמוגדר כרצוננו. אם למשל צרבנו בזרם האלקטרונים מצב ספין “למעלה”, עכשיו אנחנו צריכים להבטיח שתהיה הולכה חשמלית לאורך זמן ומרחק מספיקים כדי להעביר את המידע שנצרב בטרם יחזור הזרם למצבו הטבעי, שבו אין עודף של אלקטרונים עם ספין במצב “למעלה”.

שני אלקטרונים עם ספינים מנוגדים | Richard Kail, Science Photo Library
טכנולוגיית הספינטרוניקה משתמשת במצב הספין של החלקיק כדי לבצע פעולות או להעביר מידע. שני אלקטרונים עם ספינים מנוגדים | Richard Kail, Science Photo Library

זרמים אחידי ספין בטמפרטורת החדר

כעת, שיתוף פעולה בין חוקרים מאוניברסיטת דיוק בארצות הברית וממעבדתו של פרופ’ רון נעמן ממכון ויצמן הוליד פיתוח של חוטים זעירים שבנויים מרצף של מולקולות ומוליכים זרמים חשמליים בהתנגדות נמוכה במיוחד. החוטים המולקולריים בנויים ממולקולות כיראליות – כלומר מולקולות שאינן זהות לגמרי לתמונות המראה שלהן, כמו יד ימין ושמאל. המולקולות הכיראליות גורמות לחוטים להתפתל במבנה דומה לסליל שהופך אותם ל”מסנני ספין”. כיוון הפיתול של הסלילים והכיראליות של המולקולות שמהן הם בנויים קובעים את מצב הספין של האלקטרונים שעוברים דרכם. המערכת הייחודית הזאת מאפשרת יצירה והולכה של זרמי אלקטרונים עשירים במצב ספין מסוים לאורך מרחקים גדולים יחסית בטמפרטורת החדר.

חשיבות המחקר היא ביכולת לקבוע את מצב הספין של זרמי האלקטרונים ולשמר את המידע הצרוב במצב הספין בלי לקרר את המערכת. בטמפרטורת החדר יש מספר זהה של אלקטרונים בכל מצב ספין, וטמפרטורה נמוכה מאפשרת לעכב את איבוד המידע. לכן, כך אומרים החוקרים, מדובר בצעד חשוב בדרך לשימוש רווח יותר בהתקנים ספינטרוניים בכלל ובעולם העיבוד הקוונטי בפרט. אך יש לזכור שלמרות ההבטחה הגדולה, ישנם עוד אתגרים טכנולוגיים שצריך לצלוח כדי לשלב את החוטים בהתקנים יציבים ויעילים ולרתום את הפוטנציאל המלא של הספין החמקמק לטובת צורכי החישוב והעיבוד המתקדמים שלנו

Leave a Reply

Your email address will not be published.