2-qism. Elektrning magnitlanishi: spintronika nima va u IT sohasida qanday istiqbollarni ochadi? to’liq malumot oling

Maqolaning 1-qismini bu yerda o‘qing → sinaps.uz/maqola/20714

Spinli magnit sensorlari

Hayotimizga har xil turdagi sensorlar tobora koʻproq kirib kelmoqda. Ular barcha gadjetlarimizda mavjud, transportda bizga hamrohlik qiladi, ishlab chiqarish faoliyatini avtomatlashtirishni taʼminlaydi va boshqa koʻplab kundalik vazifalarni yechib beradi. Muhandislik tilida aytganda har qanday sensor turli xil fizik hodisalarni elektr signaliga aylantirib beradigan konvertordir.

Aylantirish tamoyillari juda xilma-xil boʻlib, magnitoelektrik hodisalarga asoslangan sensorlar muhim va koʻp sonli toifalardan iborat. Umumiy holatda, bunday obyektlarda magnit maydon taʼsirida maʼlum bir muhitning elektr xossalari oʻzgaradi. Bunday tamoyillarga asoslangan sensorlar magnit sensorlarning eng keng toifasiga kiradi. Ular elektromagnit induksiyaning barchaga maʼlum qonunini yoki ulkan magnit impedans fenomenini yoxud uning tarkibiy qismi va spintronika sohasiga taalluqli boʻlgan magnitorezistiv effektlar spektrini amalga oshiradigan kovertorlarni oʻz ichiga oladi.

Magnit sensorlarning asosiy afzalliklari kontaktsiz ish rejimi va universalligidir. Maʼlumki, magnit maydonlar manbalari elektr toki va magnitlangan jismlar hisoblanadi. Shunga koʻra, magnit sensorlarda kontaktsiz tok oʻlchagichlari va joylashuvni aniqlovchi datchiklar yaratiladi.

Birinchi holda jarayonning ishlash tamoyili quyidagicha. Tok oqimi qanchalik katta boʻlsa, oʻtkazgich atrofida magnit maydon kuchi shunchalik katta boʻladi va oʻtkazgichga nisbatan belgilangan joylashuvni egallagan magnit sensorning reaksiyasi shunchalik kuchli yuzaga keladi.

Ikkinchi holda joylashuv oʻrni kuzatilishi kerak boʻlgan obyekt oʻz atrofida magnit maydon hosil qiluvchi kichik doimiy magnitni oʻz ichiga oladi. Bu magnit belgi deb ataladi. Sensorning vazifasi magnit maydonning kattaligiga, agar kerak boʻlsa, belgining holatiga qarab maʼlum tarzda javob berishdir. Birlamchi elektr signali koʻrinishidagi bu reaksiya yuqori darajadagi uskuna – datchik tomonidan qayta ishlanadi. Magnit sensorni oʻz ichiga olgan datchikning maqsadi va dizayniga qarab, obyekt joylashuvi, ungacha boʻlgan masofa va harakat tezligi haqida maʼlumot olish mumkin.

Mana shu tamoyil asosida Yerning magnit maydoniga javob qaytaradigan elektron kompas, magnit belgisi oʻrnatilgan suzgich holatini kuzatuvchi benzin bakidagi yonilgʻi miqdorini oʻlchovchi datchik, val bilan birga aylanadigan va magnit belgi bilan necha marta toʻqnashganini hisoblaydigan turbina vali tezligini oʻlchovchi datchik va boshqa koʻplab qurilmalar ishlaydi.

Spintronika bugungi kunda magnit sensorlar samaradorligini oshirishda muhim rol oʻynaydi. Bunga misol qilib yuqorida muhokama qilingan qattiq disklarni oʻqiydigan kallaklarni keltirish mumkin. Kallaklardagi magnetoresistiv GMR yoki TMR elementlari aslida magnit sensorlardir. AMR, GMR, TMR effektlari va boshqa oʻziga xos xususiyatlar (past gisterezis, harorat barqarorligi, radiatsiyaga chidamlilik, texnologik ishlab chiqarish hamda qoʻllash va boshqalar) bilan bir qatorda yangi muhitlarni ishlab chiqish, shuningdek, sensor elementlarini loyihalash dolzarb vazifadir.

Ushbu muammolarning yechimi qatlamli texnologiyalar asosida yotadi. Ular tarkibiy qismlar xususiyatlarini takrorlash vositasida koʻp qatlamli tuzilmalarni yaratish imkonini beradi. Bunday tuzilmalar tarkibi, kristall tuzilishi, elektr oʻtkazuvchanligi, magnit va boshqa fizik xususiyatlari bilan farq qiluvchi oʻndan ortiq qatlamlarni oʻz ichiga olishi mumkin. Zamonaviy ilmiy va texnik ishlanmalar sohasi obyektlarni yaratish texnologiyasini, ularning tuzilmaviy-kimyoviy tahlil qilinishini va qatlamlarning funksional xususiyatlarini oʻrganishni oʻz ichiga olgan yuqori texnologiyali sanoatdir. Bunday ishlarni faqat yirik ilmiy markazlar amalga oshirishi mumkin va u oliy oʻquv yurtlari hamda ilmiy-tadqiqot institutlarining faol hamkorligiga, shuningdek, xalqaro hamkorlikka asoslanadi.

Ushbu mavzuga doir video: youtu.be/4i5z9d5dcVk

Energiyaga qaram magnit xotira

Axborotni saqlash va qayta ishlash kompyuter texnologiyalarining ikkita asosiy vazifasi boʻlib, ular bugungi kunda turli fizik uslublarda amalga oshiriladi. Uzoq muddatli va ishonchli maʼlumotlarni saqlash uchun yuqorida muhokama qilingan HMDD qurilmalari yoki “qattiq disklar” ishlatiladi. Bunday maʼlumotlarni oʻqish magnit qatlam yuzasida yuqori tezlikda harakatlanadigan va uni ikkilik sanoq tizimida qayd etadigan oʻquvchi kallak yordamida amalga oshiriladi.

Ammo kallakning harakat tezligi qanchalik yuqori boʻlmasin, uni elektr signalining tarqalish tezligi bilan taqqoslab boʻlmaydi. Shuning uchun kompyuter tezligini taʼminlashda axborotni qayta ishlash operatsiyalari jarayonida boshqa uskuna – operativ xotiradan foydalaniladi. Afsuski, ushbu tezkor yarimoʻtkazgichli qurilmalarning oʻlchamlari cheklangan va kompyuter oʻchirilganda maʼlumotni saqlab qololmaydi. Maʼlumot yoʻqolib qolmasligi va undan kelgusida foydalanish uchun u operativ xotiradan uzoq muddatli xotiraga, yaʼni HMDDga yoziladi. Mexanik operatsiyalar bilan amalga oshiriladigan ikki darajali tuzilma kompyuterlarning tezligini oshirishga asosiy toʻsiqdir.

Axborot texnologiyalari biznesining barcha yirik oʻyinchilari magnit va yarimoʻtkazgichli komponentlarning afzalliklarini jamlagan universal xotira qurilmalarini yaratishga yoʻnaltirilgan tadqiqotlarga koʻp miqdorda sarmoya kiritmoqda.

Ushbu sohadagi eng istiqbolli texnologiyalardan biri MRAM (magnetoresistive random-access memory), yaʼni magnitorezistiv tasodifiy kirish xotirasi qisqartmasi ostida qoʻllanila boshlandi. Bu borada erishiladigan yutuqlar kompyuterlarning yanada tezkor boʻlishida ulkan yutuqlarga erishadi va AT qurilmalari uchun elektron komponentlar bozorini qayta shakllantiradi.

MRAMni qurish gʻoyasi spin-qutblangan tok elementining magnit holatiga, yaʼni spin effektiga asoslangan. Bunday element asosan dielektrik qatlam bilan ajratilgan ikkita oʻtkazuvchi magnit qatlamni oʻz ichiga oladi. Qatlam esa tokning oʻtishini taʼminlaydi. Ikkilik tizimidagi maʼlumot qatlamlardagi magnit momentlarning birgalikdagi yoki qarama-qarshi yoʻnalishdagi ikkita magnit holat shaklida kodlanadi. Ammo bu holatlar oʻrtasidagi almashinuv, yaʼni maʼlumotni yozib olish MRAMning avvalgi muqobillarida boʻlganidek tashqi magnit maydon tomonidan emas, balki tok oqimi yordamida amalga oshiriladi.

Bir magnit qatlamdan oʻtayotib tok qutblanadi, masalan, u “up” qutbiga ega boʻladi va boshqa magnit qatlamga kirganda ikki xil harakat qilishi mumkin. Tok “up” spinli elektronlar tufayli qutblangan boʻlsa, qatlamda magnitlanganlik yoʻnalishini oʻzgartirmaydi. Agar qatlamning hosil boʻlgan magnit momenti “down” qutblanishi natijasida hosil boʻlgan boʻlsa, qatlamni qayta magnitlaydi. Maʼlumotni oʻqish TMR effektiga asoslanadi. Bu yuqorida aytib oʻtilganidek, elementning elektr qarshiligiga va bir yoʻnalishdagi qatlamlar magnit momentlariga bogʻliq. Shu tariqa element orqali oʻtadigan tok ham yozish, ham oʻqish vazifasini bajaradi.

TMR elementidagi magnit qatlamning oʻzgarish tezligi yarimoʻtkazgich elementlarining javob tezligi bilan taqqoslanadi. Bu butun qurilmaning yuqori tezlikda ishlashini taʼminlaydi. Axborotning magnit muhiti esa xotiraning energiya mustaqilligiga sabab boʻladi. MRAMni yaratishga toʻsqinlik qilayotgan asosiy muammo mavjud TMR elementlarini almashtirish uchun zarur boʻlgan yuqori qutblangan tok zichligi (har bir kvadrat santimetr uchun million ampergacha)dir. Bu elementlarning yuqori darajada qizib ketishiga olib keladi va ortiqcha energiya xarajatlarini keltirib chiqaradi.

Kichik xotiraga ega laboratoriya sharoitidagi MRAM namunalaridan toʻliq oʻlchamli va raqobatbardosh qurilmalarga aylanishi uchun yangi magnit vositalar va loyihaviy yechimlar kerak.

Yuqorida sanab oʻtilganlardan tashqari, spintronikaning yana bir istiqbolli yoʻnalishi spintronik elementlarni – elektron tranzistorlarning muqobillari yoki mikrotoʻlqinli nurlanishning ultra kichik va samarali generatorlarini yaratishdir.

Rossiyada spintronika sohasida tadqiqot va izlanishlar olib boriladigan markazlardan biri M.N. Mixeyev nomidagi Rossiya Fanlar akademiyasining Ural filiali va Rossiya birinchi Prezidenti B.N. Yeltsin nomidagi Ural federal universitetlaridir. Ikkala muassasa ham malakali kadrlar va texnik jihozlarga ega. Ikki tashkilot oʻrtasidagi hamkorlik magnetizm va magnit nanotuzilmalar qoʻshma laboratoriyasi sifatida tashkil etildi. Hamkorlik natijasida ishlanmalar, xususan, magnit sensorlar boʻyicha izlanishlar Roskosmos qoshidagi Akademik N.A.Semixatov nomidagi korxonada qoʻllanmoqda.

Magnetizm va magnit nanotuzilmalar qoʻshma laboratoriyasi “Energetika, elektronika va spintronikada yangi texnologiyalar uchun koʻp darajali iyerarxik tuzilishga ega istiqbolli magnit materiallar” ilgʻor ilmiy loyihasining asosiy ijodkorlaridan biridir. Rossiya Fanlar akademiyasi akademigi Vladimir Ustinov boshchiligidagi olimlar guruhiga UrFU professori Vladimir Vaskovskiy kiradi. U ushbu loyihada magnit sensorlar mavzusida ish olib boradi. Loyiha toʻrt boʻlimdan iborat. Uni rossiyalik va xorijiy akademik hamkorlar qoʻllab-quvvatlamoqda va loyihada Rossiyaning yirik korxonalari ham ishtirok etmoqda.

Muallif: Dmitriy Ivanov. Ushbu maqola nplus1.ru saytidagi “Магнетизм электричества. Что такое спинтроника и какие перспективы в IT она открывает” nomli maqolaning tarjimasi.
Muqova surat: freepik.com