השילוב בין ספינטרוניקה לננוטכנולוגיה יאפשר להחליף את האלקטרוניקה הנוכחית כאשר תגיע לקצה גבול היכולת הפיזית

כך מבטיח פרופ’ אלברט פרט’- חתן פרס נובל לפיסיקה לשנת 2007 עבור תגלית ה-GMR – השתנות ענקית של ההתנגדות החשמלית באמצעות הפעלת שדה מגנטי (Giant Magnetoresistance) וזוכה תואר ד”ר לשם כבוד

* הכתבה התפרסמה בערוץ המדע של אוניברסיטת בר-אילן ו”הארץ”

השילוב של ספינטרוניקה – התחום המדעי שעל ייסודו זכה פרופ’ אלברט פרט מצרפת בפרס נובל לפיזיקה במשותף עם עמיתו פטר גרונברג מגרמניה – ביחד עם ננוטכנולוגיה ובפרט יריעות גרפין וננו צינורות של פחמן, יצעידו את העולם קדימה ויאפשרו את המשך שיפור האלקטרוניקה בקצב אותו מכתיב חוק מור גם לאחר שהטכנולוגיה הנוכחית מבוססת הסיליקון תגיע לסוף דרכה ותיתקל במגבלות פיזיקליות.
כך מבטיח פרופ’ פרט בהרצאה שנתן לרגל זכייתו בתואר ד”ר לשם כבוד באוניברסיטת בר-אילן, שהתקיימה במרכז לננוטכנולוגיה ביום שלישי השבוע.

לפני חמש שנים זכה פרופ’ אלברט פרט (Fert) בפרס נובל לפיזיקה על גילוי ה-GMR – השתנות ענקית של ההתנגדות החשמלית באמצעות הפעלת שדה מגנטי (Giant Magnetoresistance) וזהו ביקורו השלישי בארץ. בביקורו הראשון השתתף בכנס לכבוד פרופ’ יוסי ישורון מבר-אילן ושבין מארגניו היה פרופ’ ליאור קליין (שניהם מהמחלקה לפיזיקה בפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת בר-אילן) וכן קיבל את פרס וולף היוקרתי שנחשב ע”י רבים כמבשר הנובל. ביקורו השני היה לצורך כנס אותו ארגן יחד פרופ’ ליאור קליין.

הפעם, בביקורו השלישי, היו אלה פרופ’ קליין בצוותא עם פרופ’ בני ארנברג, המשנה לנשיא שהציגו את פרופ’ פרט שזכה לתואר ד”ר כבוד מטעם אוניברסיטת בר-אילן. פרופ’ פרט משמש כיום כמנהל המדעי של היחידה המשולבת לפיסיקה CNRS/Thales באורסיי, צרפת, וכן כפרופסור נספח לפיסיקה באוניברסיטת מישיגן.

בהרצאתו מסביר פרופ’ פרט: “מדע הספינטרוניקה מוגדר כסוג חדש של אלקטרוניקה המשתמש לא רק במטען של האלקטרון אלא גם במגנטיות שלו – הספין. האפקט הראשון שהתגלה בתחום היה GIANT MAGENTORESISTENCE שמשתמשים בו כיום לקרוא את הדיסק הקשיח של המחשבים. בזכות חיישנים מגנטיים המבוססים על גילוי זה הרגישים לשדות מגנטיים קטנים ניתן היה להגדיל את הקיבולת של הדיסקים פי אלף ויותר, משום שהם איפשרו כתיבה וקריאה של ביטים בעלי גודל פיזיקלי קטן, בזכות הדיוק.

אבל זו היתה רק תחילת הדרך של המהפכה. יש הרבה אפקטים שאפשר להשתמש בהם. היישום הבא הוא זכרונות מגנטיים מסוג M-RAM שיחליפו את ה-RAM במחשב. זכרונות אלה הם גם מהירים וגם נשמרים כאשר המחשב כבוי – כלומר הם זכרונות לא נדיפים.
הזכרונות המהירים הנדיפים צורכים אנרגיה כדי שלא יימחקו. מסתבר שצריכת אנרגיה בחדרי שרתים אחראית ל-7% מכלל צריכת האנרגיה במשק לכן מעבר לזכרורנות שאינם צורכים אנרגיה יכול לתרום תרומה משמעותית גם לחסכון הכולל של המשק באנרגיה. מעבר לשיטה חדשה M-RAM המבוססת על הספינטרוניקה תאפשר ליצור זכרונות מהירים שאינם נדיפים ולכן אינם דורשים גיבוי לדיסק וחיבור קבוע לחשמל. כבר היום רואים דוגמאות לשימוש בזכרונות כאלה למשל בתוך שבבים לצד המעבדים.

יישומים אחרים של ספינטרוניקה הם ביצירת מקורות חדשים למחוללי תדר בתדרים גבוהים שיכולים לנצלם בתחום התקשורת, ביצירת מערכות היברידיות שישלבו רכיבים ספינטרוניים עם האלקטרוניקה הקונבנציונאלית, ובשלב מאוחר יותר אפילו ביצירת מחשבים קוונטיים שיהיו מהירים בסדרי גודל מהמחשבים של היום. דברי פרופ’ פרט, חילופי הטכנולוגיה הללו בלתי נמנעים, משום שהיכולת לעמוד בחוק מור – החוק הלא רשמי שאומר שעוצמתם של מעבדים מוכפלת כל שנה וחצי למחיר נתון – לא תוכל להתקיים לנצח.

טכנולוגית הסיליקון הולכת ומתקרבת לסוף דרכה עוד עשר שנים לכל היותר יתקלו בחברות השבבים בקיר אטום שאי אפשר לעבור אותו – חוקי הפיזיקה שלא יאפשרו הקטנת הרכיבים בשבב עוד יותר. כיום הצמתים הקטנות ביותר בשבבים הם בקוטר של 28 ננומטר. פתרונות ‘היברידים’ שבהם חלק מהרכיבים מבוססי ספינטרוניקה וחלק עדיין מבוססי אלקטרוניקה תוכל לעזור לתעשיה למשוך עוד כמה שנים, לא יותר מכך.

הדור הבא לדבריו יהיה יישום עקרונות הספינטרוניקה ביחד עם פיתוחי הננוטכנולוגיה ובפרט גרפין וננו שפופרות פחמן. קשה עדיין להעריך את עוצמתה של המהפכה הזו משום שהטכנולוגיה הזו בחיתוליה. רק טעימה קטנה ממנה נתנה חברת סמסונג כשהכריזה על צגים מבוססי ננו שפופרות פחמן. אחת המגבלות לשימוש בגרפין נובע מכך שקשה ליצרו בקנה מידה המוני, אבל הוא מעריך שעד שיהיה צורך להחליף את הסיליקון, תימצא גם הדרך לייצר בזול יריעות גרפין.