Gidas po kvantinės fizikos pasaulį: kaip veikia egzotiška, bet ypač perspektyvi su­ki­nių elek­tro­ni­ka (Video)

Kasdieniniai sukiniai

Nuo mokyklos laikų žinome, kad magnetinių reiškinių požiūriu gamtoje egzistuoja kelių tipų medžiagos. Visų pirma, feromagnetikai – medžiagos, kurios geba išlaikyti įmagnetėjimą be išorinio magnetinio lauko, paprastai vadinami tiesiog magnetais. Feromagnetiko pavyzdys – geležis, iš kurios pagamintas šaldytuvo magnetukas. Kitų magnetizmo tipų medžiagos – diamagnetikai ir paramagnetikai – yra dauguma įprasčiausių medžiagų, kurios, jeigu jų neveikia išorinis magnetinis laukas, savo magnetinės prigimties demonstruoti nė nesiteikia. Pavyzdžiui, vanduo – diamagnetikas ir jame susidaro magnetinis laukas, besipriešinantis jį veikiančiam išoriniam:

Atomų ir elektronų lygmenyje, feromagnetikų dalelių sukiniai vidutiniškai nukreipti kažkokia konkrečia kryptimi, kai tuo tarpu įprastose medžiagose jas sudarančių dalelių sukiniai išsibarstę chaotiškai, be jokios ypatingos tvarkos. Nesunku įsivaizduoti, kad medžiagą, kuri turi nekintančią savybę, pavyzdžiui, įmagnetėjimą, galima panaudoti informacijai saugoti.

Tiesą sakant, jei skaitote šį straipsnį kompiuteryje, jame tikriausiai yra sukinius vartantis įrenginys – standusis diskas (hard disk drive)! Galbūt nustebsite, bet standžiajame diske informaciją (bitus) saugo būtent sukiniai. Standusis diskas sudarytas iš plonų feromagnetinių plokštelių. Kiekviena plokštelė padalinta į mažus plotelius, kurių įmagnetėjimą (sukinių vidutinę kryptį) galima valdyti maža rite – elektromagnetu. Taip informacija įrašomą į diską. Belieka sugalvoti, kaip įrašytą sukinį nuskaityti. Pasirodo, tai atlikti ne taip jau paprasta – būtent dėl to kompiuterių kūrėjams teko nemažai paplušėti, kol sukūrė dabar įprastus didelės talpos standžiuosius diskus.

Sukurti modernius standžiuosius diskus leido gigantiškosios magnetovaržos (GMR) reiškinio atradimas 1988 m., už kurį 2007 m. skirta Nobelio fizikos premija. Šiuo reiškiniu paremtas vadinamojo sukinių vožtuvo (angliškai – spin valve, žr. pav) veikimas. Mums įprastas vandens vožtuvas (pvz., virtuvės čiaupe) gali būti 2 skirtingų būsenų: atidarytas arba uždarytas. Priklausomai nuo būsenos, pro jį vanduo arba bėga, arba ne. Panašiai ir sukinių vožtuvas – jis praleidžia arba sulaiko tam tikrą sukinio kryptį turinčius elektronus.

Sukinių vožtuvas sudarytas iš trijų sluoksnių: dviejų feromagnetinių (FM) sluoksnių išorėje ir įprastos medžiagos (NM) viduryje. Elektronas, kurio sukinys priešingos krypties negu feromagnetiko magnetizacija, lengvai per tą feromagnetiką pereina. Jo judėjimui taip pat netrukdo įprasta medžiaga. O štai jei elektronas bando įveikti jo sukinio kryptimi įmagnetintą feromagnetiką, judėjimui reikia daug daugiau pastangų – elektrinė varža šioje grandinėje stipriai išauga.

Standžiuosiuose diskuose šis prietaisas panaudojamas itin gudriai. Disko skaitymo galvutės dalis yra visada įmagnetinta tam tikra kryptimi, o kitas sukinių vožtuvui reikalingas feromagnetikas yra pati standžiojo disko plokštelė su informacija. Tokia konfigūracija vis dar veikia kaip sukinių vožtuvas, nes atstumas tarp skaitymo galvutės ir feromagnetinės disko plokštelės yra labai mažas – vos keli nanometrai (ploniausio žmogaus plauko storis yra maždaug 10000 nanometrų). Žinomu būdu judinant skaitymo galvutę virš tos plokštelės ir vis matuojant skaitymo galvutės varžą, nuskaitoma plokštelėje įrašyta informacija.

Puiku – sužinojome, kaip užkoduoti informaciją sukiniais, kurie niekaip nesusiję su krūvio pertekliumi ar trūkumu!

Trūkstama grandis

Taigi, žinome kaip informaciją užkoduoti sukiniais ir kaip juos nuskaityti. Iki visiškos laimės tetrūksta straipsnio pradžioje minėto informacijos perdavimo, nejudinant elektronų. Tai – tikrai šiuolaikinė fizika, nes pirmą kartą šis reiškinys aprašytas 2015 m. Nature Physics žurnalo straipsnyje. Kadangi mokslas naujas, paaiškinti jį daug sudėtingiau negu dvidešimtojo amžiaus pradžios klasiką. Bet rezultatas toks įdomus ir daug žadantis, kad pabandyti tikrai verta.

Minėtame 2015 m. straipsnyje autoriai rašo, kad pagaminus platinos–YIG–platinos sumuštinį, galima iš vieno platinos elektrodo į kitą galima perduoti informaciją, nepajudinant elektronų. Platina gerai praleidžia elektronus – yra laidininkas. Egzotiškesnis YIG (lietuviškai – itrio geležies granatas), priešingai, yra izoliatorius, t.y., medžiaga, per kurią elektronai tekėti negali.

Pagal aptartą magnetinių medžiagų klasifikaciją, platina yra paprasta medžiaga, paramagnetikas, neturinti magnetizacijos, tuo tarpu YIG yra feromagnetikas – jame sukiniai vidutiniškai nukreipti tam tikra kryptimi. Visgi platina, sukinių požiūriu, yra ypatinga: ji pasižymi taip vadinamu sukininiu Hallo efektu, kuris priverčia elektronus su skirtingais sukiniais nukrypti nuo tiesios trajektorijos priešingomis kryptimis (žr. pav). Ši platinos savybė naudinga, norint įsitikinti, kad informacija tikrai buvo perduota.

Jei apie sukinius nieko nežinotume, tikėtumėmės, kad toks sumuštinis bus labai nuobodus – prijungus prie jo įtampą, niekas nevyks, nes bet kokią srovę sustabdys YIG sluoksnis. Bet jei viskas būtų taip nuobodu, šio eksperimentas nebūtų aprašinėjamas. Tad, kas gi vyksta iš tiesų?

Pasirodo, sukėlus elektronų srovę viename iš platinos elektrode (tarkime, kairiajame), kai kurie srovėje dalyvaujantys elektronai atsitrenkia į ribą tarp platinos ir YIG. Dar daugiau, tokiam elektronui atsitrenkus į šią ribą, apsiverčia elektrono sukinys. Kaip žinome iš Einšteino-de Haaso eksperimento, kiekvienas sukinio pokytis susijęs su judesio kiekio momento pokyčiu. Jis be pėdsako iš mūsų sistemos dingti negali. Tačiau šiuo atveju bandiniui suktis neleidžiame. Kurgi dingsta su sukiniu susijęs judesio kiekio momentas?

Audringais plojimais pasitikite siauruose sluoksniuose plačiai žinomą veikėją – sukinių bangą, magnoną. Jo pristatymas – paveikslėlyje. Taigi, kairiojo platinos elektrodo ir YIG sandūroje apvirtusio sukinio sukelta, per YIG sluoksnį nuvilnija sukinių banga. Kažkuriuo momentu ši banga pasiekia YIG ir dešiniojo platinos elektrodo sandūrą, kur sugeriama. Vėlgi, judesio kiekis tvarus – jis negali niekur pradingti. Nesunku atspėti, kad šiam procesui (bangos sugėrimui) reikia kito elektrono, kurio sukinys apverčiamas. Taip dešiniajame elektrode atsiranda vienas apverstas sukinys, kurį eksperimentatoriai aptinka, pasinaudodami paslaptinguoju sukininiu Hall’o efektu platinoje.

Aprašėme, kaip sukinio apvertimas vienoje sistemos pusėje (kairiajame platinos elektrode) gali būti perduotas į kitą vietą – dešinįjį platinos elektrodą. Eksperimentas ypatingas tuo, kad YIG sluoksnyje elektronai stovėjo lyg įkalti savo vietose – jie negalėjo niekur pajudėti, nes YIG yra elektros izoliatorius, t.y. elektronams judėti neleidžianti medžiaga. Bet ir vietoje stovintys elektronai padėjo perduoti informaciją, nes jais keliavo sukinių banga – magnonas, nežymiai keitusi sukinių kryptis. Šis eksperimentas – tik pirmas žingsnis naudingų taikymų link, nes informacija perduota vos 200 nanometrų, t.y., apie 100 kartų trumpesniu atstumu nei žmogaus plauko storis.

Akivaizdu, kad spintronikos laukia ilgas kelias iš fizikų galvų ir laboratorijų iki mūsų kompiuterių ir kitų buitinių prietaisų. Bet kai kurie jau egzistuojantys taikymai (pvz., kietieji diskai) ir aktyviai vykdomi eksperimentai leidžia tikėtis, kad ateityje informacijos apdorojimui mokėsime panaudoti ne tik elektrono krūvį, bet ir sukinį. Taip kvantinės fizikos objektai, tokie kaip čia aprašyti sukiniai, kelsis į mūsų kišenes bei ant darbo stalų ir leis iš pažiūros egzotiškas praėjusio amžiaus mokslininkų idėjas paversti šiuolaikinės kasdienybės dalimi.

Jogundas Armaitis
Teorinės fizikos mokslų daktaras, šiuo metu dirbantis Vilniaus universitete
Daugiau informacijos apie autorių