ספינטרוניקה

ספינטרוניקה היא טכנולוגיה בהתהוות אשר שואפת לנצל את הספין של אלקטרונים והמומנט המגנטי שלהם, בנוסף למטען החשמלי, ביישומים של חישה, שמירת מידע ועיבודו.

כללי

מקורו של המחקר המדעי בספינטרוניקה בגילויין, בשנות ה-80 של המאה שעברה, של תופעות הקושרות בין המוליכות לספין של האלקטרונים נושאי המטען. תופעות אלה כוללות את ההזרקה של אלקטרונים מקוטבי-ספין ממתכת פרומגנטית למתכת רגילה (על ידי ג'ון וסילסבי ב-1985) וכן את גילוי ההתנגדות המגנטית העצומה (giant magnetoresistance, GMR, שנתגלתה בנפרד על ידי אלבר פר וקבוצתו וכן על ידי פטר גרינברג וקבוצתו ב-1988).
התגלית של פר וגרינברג הביאה במהרה לפיתוח ההתקן שנחשב למוצר הספינטרוני המסחרי הראשון - קורא דיסק קשיח המבוסס על אפקט ההתנגדות המגנטית העצומה. התקן זה אפשר להקטין את הראש המשמש לקריאת המידע מהדיסק הקשיח, מה שאיפשר להקטין את גודלם של הביטים המגנטיים ולדחוס יותר מידע על שטח הדיסק. יישום נוסף אשר כבר הפך מסחרי הוא זיכרון גישה אקראית מגנטי (MRAM- magnetic RAM). יתרונו במהירותו ובאי נדיפותו, מה שמאפשר לשמור על המידע לאורך זמן ללא מקור אנרגיה. זיכרון מסוג זה משמש בכונני SSD הפועלים במהירות גדולה מאות מונים מדיסקים מסורתיים, אך מחירם גבוה יותר.
באלקטרוניקה רגילה נעשה שימוש בזרמים של אלקטרונים, וכל מוליך יכול להימצא באחד משני מצבים: מצב שבו זורם זרם, ומצב שבו לא זורם זרם. בזרמים אלו זורמים בעירבוביה אלקטרונים עם שני סוגי ספין: ספין "למעלה" וספין "למטה". הרעיון מאחורי הספינטרוניקה הוא ששימוש מושכל בכל ספין בנפרד יכול לשכלל את היכולות של מערכות מידע לשמור ולעבד מידע, הן על ידי רמת האינפורמציה שמאפשרת שליטה בספין והן על ידי אינטראקציות מגנטיות שמתאפשרות על ידי זרמים של מומנט מגנטי.

תאוריה

תכונת הספין מבטאת את התנע הזוויתי העצמי של האלקטרון והיא תכונה נפרדת מתכונת התנע הזוויתי האורביטלי של האלקטרון הנובעת מתנועתו. גודל ההיטל של ספין האלקטרון על ציר שרירותי כלשהו שווה ל- , מכאן נובע כי האלקטרון מתנהג כפרמיון על פי משפט ספין-סטטיסטיקה.
כמו התנע הזוויתי האורביטלי לספין יש מומנט מגנטי שגדלו מבוטא באמצעות הנוסחה הבאה:
כאשר  ו -  הם מטען ומסת האלקטרון בהתאמה.
כשהחומר נמצא במצב מוצק הספינים של האלקטרונים הרבים הנמצאים בו יכולים לפעול יחד כדי להשפיע על התכונות המגנטיות והאלקטרוניות של החומר. לדוגמה, הפיכת חומר בעל מומנט מגנטי פאראמגנטי לפרומגנט.
בחומרים רבים, הספינים של האלקטרונים נמצאים במידה שווה במצבים האנרגטיים השונים של ספין חיובי (ספין "מעלה") ושלילי (ספין "מטה"), ומאפייני המעבר בין רמות אנרגיה אלו לא תלויים בספין. מכשיר המבוסס על ספינטרוניקה דורש הוספת אלקטרונים מקוטבי ספין או תמרון באוכלוסיית האלקטרונים הקיימת, וכתוצאה מכך יצירת עודף של אלקטרוני מקוטבי ספין חיובי (ספין "מעלה") או שלילי (ספין "מטה"). הקיטוב הכללי עבור כמות אלקטרונים  מוגדר כך:
כאשר  ו -  הם כמויות האלקטרונים מקוטבי הספין החיובי (ספין "מעלה") והספין השלילי (ספין "מטה") בהתאמה.
רשת של ספינים המקוטבים בכיוון אחד ניתנת להשגה על ידי יצירת פיצול אנרגיה בשיווי משקל בין ספין חיובי לספין שלילי כגון הכנסת החומר לשדה מגנטי חזק (אפקט זימן) או על ידי שימוש באנרגיית השחלוף הקיימת בחומר פרומגנטי. משך הזמן שבו מצב זה של אי שיווי משקל נשמר מוגדר כזמן החיים של הספין, . במוליך דיפוזי, אורך דיפוזיית הספין, , יכול להיות מוגדר גם כמרחק שבו אוכלוסיית הספינים במצב אי שיווי משקל יכולה להתקדם. אורכי חיי הספינים של אלקטרוני הולכה במתכות קצרים יחסית (הזמן האופייני הוא פחות מ-1 ננו-שנייה) ויש מאמץ מחקרי גדול לנסות ולראות כיצד ניתן להגדיל אורך חיים זה לסקלות הזמן הרלוונטיות מבחינה טכנולוגית.
יש מנגנוני דעיכה רבים לאוכלוסיית ספין מקוטב, אם כי ניתן לסווגם במבט מקרוסקופי כפיזור ספין וביטול מופע ספין. פיזור ספין הוא תהליך בתוך מוצק שאינו משמר ספין ולכן הספין המקוטב שנכנס למערכת יכול לעבור במנגנון הזה ממצב ספין "מעלה" למצב ספין "מטה". ביטול מופע ספין הוא התהליך שבו אוכלוסייה של אלקטרונים עם מצב ספין זהה (כולם או במצב ספין "מעלה" או במצב ספין "מטה") הופכת פחות מקוטבת לאורך זמן בשל שיעורים שונים של נקיפת ספין האלקטרון. במבנים מוגבלים ניתן לדכא תהליך זה, מה שמוביל להגדלת אורך החיים של הספינים לסדר גודל של מילי שניות בנקודות קוונטיות של מוליכים למחצה בטמפרטורות נמוכות.
על ידי לימוד חומרים חדשים ומנגנוני דעיכה, החוקרים בתחום מקווים לשפר את הביצועים של מכשירים מעשיים, וכן את המחקר של בעיות בסיסיות בפיזיקה של חומר מעובה.