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

Spintronika bilan tanishing! Spintronika kondensatsiyalangan moddalar fizikasining yosh va istiqbolli sohasi hamda texnik qoʻllanishi boʻlib, uning markazida elektronlarning oʻtkazuvchanligi yotadi. Tadqiqotchilarning jasur rejalariga koʻra, spintronikaning rivojlanishi yangi turdagi elektron qurilmalarning paydo boʻlishiga olib keladi. Bunda nafaqat elektr maydoni, balki magnit maydoni ham quvvat uzatish, yaʼni elektr toklarini uzatish uchun javobgar boʻladi. Tok oqimlarini boshqarishning bunday usuli yuqori haroratlarda ishonchli boʻlib koʻrinmoqda, shuningdek, qurilmalar nazariy jihatdan hozir elektr muqobillariga qaraganda kichik, tez va samaraliroq boʻlishi vaʼda qilinmoqda. Biz Ural Federal universiteti mutaxassislari bilan birgalikda spintronikaning buguni va kelajagi haqida suhbatlashishga qaror qildik.

Maʼlumki, elektron nafaqat elektr zaryadiga, balki spinga ham ega. Bu ikkita kvant holati bilan tavsiflanadigan mexanik momentdir. Mexanik moment elektronning magnit momenti bilan uzviy bogʻliq boʻlib, u qisqaligi uchun spin deb ham ataladi. Undagi ikkita holat shartli ravishda “up” va “down” (“yuqoriga” va “pastga”) bilan belgilanadi. Bu boʻshliqdagi har qanday oʻq boʻylab faqat ikkita oʻzaro qarama-qarshi yoʻnalishga ega boʻlishi mumkin boʻlgan, “yuqoriga” va “pastga” harakatlanadigan aylanishning tasvirini aks ettiradi.

Aksariyat oʻtkazuvchi materiallarda elektronlar soni ikkala holatda ham (“up” va “down” holatlari nazarda tutilyapti) taxminan bir xil boʻladi. Temir guruhiga kiruvchi ferromagnit oʻtkazgichlar bundan mustasno. Ularda elektronlarning “yuqoriga” va “pastga” boʻlgan harakatlari jamlanmasi nisbatan farq qiladi yoki boshqacha aytganda, spin qutblanishi 50 foizdan oshishi mumkin. Bu, xususan, bunday moddalarning makroskopik magnit momentiga (magnitlanish) ega boʻlishini taʼminlaydi va bu spintronika uchun muhim boʻlib, quvvat uzatish bilan bogʻliq bir qator oʻziga xos holatlarni keltirib chiqaradi. Bularga, birinchi navbatda, spinga bogʻliq boʻlgan elektr oʻtkazuvchanlik va mexanik moment uzatilishi kiradi. Ularning amaliyotda qoʻllanishi IT texnologiyalari, elektromagnit nurlanishni “teragerts” darajada ishlab chiqarish, magnit sensorlar va boshqa texnik sohalarda yangi ufqlarni ochishni vaʼda qilmoqda.

Noutbuk ichida

Spintronika nafaqat laboratoriyalarda uchraydi, balki kompyuterlar tufayli kundalik hayotga allaqachon kirib kelgan. Spintronikani aksariyat hollarda kompyuterning qattiq disklarida (HDD yoki HMDD, qattiq magnit disk) uchratish mumkin. Ular quvvat yoʻqligida ham maʼlumotni saqlashga qodir. HMDDʼning energiyadan mustaqilligi maʼlumotning eng oddiy elementlari, yaʼni bitlar maʼlum bir magnitlanish yoʻnalishiga ega boʻlgan kichik boʻlaklar shaklida nozik magnit qatlamda hosil qilinishi bilan bogʻliq.

Magnitlanishning mahalliy darajada oʻzgarishi maʼlumotni yozishga, magnit maydonlarni mahalliy darajada roʻyxatga olish esa uning oʻqilishiga mos keladi. Birinchi jarayon impulsli magnit maydon hosil qiluvchi maxsus magnitlangan roʻyxatga olish kallagi yordamida, ikkinchi jarayon esa sal boshqacharoq, oʻqish kallagi bilan amalga oshiriladi. Aynan spintronika bunday kallaklarda oʻqish samaradorligini oshirish uchun javobgardir.

Qattiq diskning asosiy afzalligi kichik oʻlchamlarda katta hajmga ega ekanidadir. Ushbu xususiyatning takomillashib borishi, shubhasiz, maʼlumotni joylashtirish zichligining oshishi, yaʼni bir bitning jismoniy hajmi kamayishi bilan bogʻliq. Bu yoʻlda olimlar, texnologlar va konstruktorlar ikkita asosiy vazifani hal qilishmoqda. Birinchidan, magnit muhitni va yozish texnologiyasini takomillashtirish kerak. Bu mikron hajmlarda barqaror magnit holatlarni yaratishga imkon beradi. Ikkinchidan, mahalliy magnit maydonlarni roʻyxatga olish uchun sezgir usullarni topish kerak. Ularning intensivligi bit hajmining qisqarishi bilan kamayadi.

Oʻtgan asrning 90-yillarida HMDD rivojlanishidagi taraqqiyotga toʻsqinlik qilgan narsa ikkinchi muammoning yechimini izlash boʻldi. Ushbu sohadagi yutuq bir terabaytdan ortiq sigʻimga ega disklarni yaratishga imkon berdi va 1987-yildagi bu kashfiyot keyinchalik ulkan magnit qarshilik (ulkan magnit qarshilik, GMR) effektining texnik ravishda amalga oshirilishi tufayli sodir boʻldi.

Ulkan magnit qarshilik kvant hodisalaridan biri boʻlib, unda spin qutblashuvining mavjudligi va natijada elektr qarshiligi (yoki elektron tarqalishi samaradorligi) spin yoʻnalishiga bogʻliqligi asosiy rol oʻynaydi. Ushbu taʼsir bir xil boʻlmagan magnit tizimlarda, masalan, qavatli qatlamlarda yuz beradi. Jarayon “ulkan” deb nomlanadi, chunki uning kattaligi (magnit maydon taʼsirida oʻtkazgich elektr qarshiligining nisbiy oʻzgarishi) 200 foizga yetdi. Bu oʻsha vaqtda maʼlum boʻlgan magnit qarshilik anizotropiya effekti (anizotropik magnit qarshilik, AMR) kattaligidan deyarli ikki baravar yuqoriroq koʻrsatkich edi.

Oʻquvchi kallaklarda GMR quyidagicha “ishlaydi”. Maʼlumotning magnitlangan biti mavjud mahalliy maydon kallakning maxsus magnit qatlamlaridan birida magnitlanish yoʻnalishini oʻzgartiradi. Natijada magnitlanishi oʻzgarmas qoʻshni magnit qatlamdan bu yerga tushgan elektronlar nisbiy spin yoʻnalishini oʻzgartiradi va ularning tarqalish ehtimoli koʻproq boʻladi. Boshqacha qilib aytganda, magnit maydonning maʼlumotlarni oʻquvchi kallakdagi sezgir elementga taʼsiri kallak elektr qarshiligining oʻzgarishiga olib keladi.

Bugungi kunda GMR oʻrniga uning kvant muqobili tunnel magnit qarshilik taʼsiri (tunnel magnit qarshilik, TMR) qoʻllanmoqda. U oʻtkazgichlarning bir necha nanometr oʻlchamidagi nozik magnit qatlamlari, ultra yupqa (nanometrdan ham yupqaroq) oʻtkazuvchan boʻlmagan oʻrta qatlamlarda mavjud. Bunday tuzilmalarni yaratish uchun yuqori darajadagi texnologiya talab qilinadi. Ushbu texnologiyalar qatlamlar oʻlchamini 0,1 nanometr aniqlik bilan shakllantirish imkonini beradi.

TMR hajmi GMRʼdan bir necha baravar katta. Bunday nozik kallaklar uchun mos keladigan magnit vositalar paydo boʻlganda, qattiq disklarning rivojlanish tarixida yangi davr boshlanadi.

Maqolaning 2-qismini kutib qoling

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