הספין שעדיין לא נחשף

התקן בעל ממדים זעירים שנבנה באוניברסיטת בר אילן, מככב באחד התחומים החמים של הננוטכנולוגיה – ספינטרוניקה. מדובר בתחום חדש ומבטיח שיאפשר ייצור מעבדים חסכנים באנרגיה לאורך זמן.

תארו לעצמכם שבאמצע טיסה ארוכה, מכינים חומר לישיבה חשובה שעומדת להתקיים מיד לאחר הטיסה והמחשב שלכם נעצר – זמן הפעילות של הסוללה הסתיים. או מקרה אחר- אתם מגיעים ללקוח, מדליקים את המחשב ומוצאים את עצמכם מחכים; מתי המחשב כבר יעלה?! לדר’ עמוס שרוני מהמכון לננוטכנולוגיה וחומרים מתקדמים באוניברסיטת בר-אילן תיתכן לכך תשובה. מחקר שהוא עורך עשוי להוביל לטכנולוגית מעבדים חדשה שגם תהיה חסכנית באנרגיה ותאפשר עבודה זמן ארוך פי כמה מזו של היום ללא צורך בכיבוי המחשב. שם המשחק הוא ספינטרוניקה.

“האתגר הוא לחשוף פוטנציאל בלתי מנוצל של האלקטרון – היחידה הבסיסית של המטען החשמלי”, מסביר שרוני. “כמעט כל המוצרים האלקטרוניים היום מבוססים על שימוש באלקטרונים לביצוע חישוביות ולאספקת כוח הפעלה. המחשבים, לצורך העברת מידע, מסתמכים על העברת מטען חשמלי דרך מוליך למחצה כמו סיליקון. מה שפחות ידוע שבנוסף למטען, האלקטרון מצויד בתכונה נוספת שנקראת ‘ספין’ – מעין מגנט קטן המחובר לאלקטרון”. מדענים מאמינים שהספין, שהוא למעשה אחד משני כיוונים שהאלקטרון יכול לאמץ בנוכחות שדה מגנטי, יכול לשמש לייצור דור חדש של מחשבים בעלי זיכרון וכוח חישובי גבוהים. “במחקר שלנו אנחנו מקווים להבין טוב יותר איך לייצר, להניע ולמדוד את תכונות הספין”, מוסיף שרוני.

אחד הדברים שמאט את מהירות המחשוב היום הוא המצב שהאלמנטים האחראים על הזיכרון (RAM) ועל עיבוד החישוביות נפרדים זה מזה. הספינטרוניקה תאפשר לחבר את החישוביות והזיכרון המהיר בהתקן אחד. בנוסף, הסיבה לאיטיות של הפעלת המחשב היא הצורך להעביר אינפורמציה מהזיכרון הקבוע והאיטי (הדיסק הקשיח) לזיכרון הRAM- המהיר שלא עובד בלי חשמל. בהתקני הספינטרוניקה המשולבים לא יהיה צורך להדליק את המחשב כי האינפורמציה תישמר בזיכרון המהיר ותהיה זמינה לעבודה מידית. הספינטרוניקה הובילה כבר ליצור זיכרונות על דיסק קשיח בעלי נפח עצום (מעל טרה ביט), אולם, הפוטנציאל הטמון בספינטרוניקה גדול בהרבה ועדיין לא נוצל.

שרוני מדגיש שיש צורך במחקר בסיסי מעמיק לפני שיצא לקו ייצור המחשב הספינטרוני הראשון. אחת הבעיות המרכזיות היא שבתחום החומרים שמשמשים היום, הספין אינו יציב והאלקטרונים נוטים “לקפץ” לשני הכיוונים בין הקטבים המגנטיים. אולם, וכאן תרומתו של שרוני, אם מוצאים חומרים מתאימים ויוצרים מהם התקן בעל ממדים זעירים מספיק, התכונות המגנטיות של האלקטרונים יציבות. כמה זעיר? מדובר בתחום הננו. ננומטר אחד הוא אלפית מעובי שערה, וממדי הרכיבים צריכים להיות כמה עשרות עד מאות ננומטרים. שרוני וצוות חוקרים כבר עובדים על כך במעבדות המכון באמצעות מכשור יצור חדיש וחדרים נקיים.

“בעולם הננו אנחנו יכולים ללמוד על אפקטים שבממדים הגדולים יותר נעלמים”, מסביר שרוני. “כשגודל החומרים נמצא בתחום ננומטרים בודדים, הספין האלקטרוני יציב וניתן למדידה. במעבדה שלנו פיתחנו תהליך לקבלת ציפוי דקיק שממנו אנחנו מייצרים חומר רב-שכבתי – משהו כמו סנדוויץ’ ננומטרי, שמאפשר לנו לנצל את היציבות לייצור התקנים אלקטרוניים מבוססי ספין, בדומה לדיסק הקשיח של המחשב, אבל בעלי עוצמה רבה יותר. באמצעות חומרים אלו והבנות חדשות, אנו מקווים להגדיל את האות של התקני ספינטרוניקה, שהוא כיום מאוד קטן ומעיב על יכולת הייצור של התקנים משולבים”.