إلكترونيات سپينية
التجهيزات الإلكترونية الميكروية (صِغْرية) Spintronics هي تجهيزات تعمل باستخدام سپين(1) الإلكترون، وتمثِّل صناعة ناشئة تقدر ببلايين الدولارات، وقد تقود إلى ابتكار شيپات ميكروية كمومية.
إن التطور السريع في نمنمة تجهيزات أشباه الموصلات الإلكترونية أدى إلى إيجاد شيپة chip حجمها أقل من 100 نانومتر، وهي أداة (تجهيزة) device يتحتم على المهندسين والفيزيائيين مواجهتها مع إطلالة الميكانيك الكمومي (ميكانيك الكم) quantum mechanics ـ ذلك العالَم الفيزيائي المعاكس لإدراكنا الحدسي والغامض في بعض الأحيان، حيث تَحكم الخصائص الموجيةُ سلوكَ الإلكترونات. وهؤلاء البراجماتيون الذين يعملون في عالم تجهيزات أشباه الموصلات مشغولون في استحضار وسائل بارعة لتجنب العالم الكمومي، وذلك بإعادة تصميم شيپات شبه موصلة في إطار الإلكترونيات «الكلاسيكية» [انظر: «قفزة رأسية للشيپات الميكروية»، مجلة العلوم، العددان 7/8(2002)، ص 38]. ومع هذا يَعتقد بعضُنا أننا مقدمون على فرصة غير مسبوقة لتحديد طائفة جديدة تماما من التجهيزات التي تستغل خواص العالم الكمومي الشاذة للحصول على مزايا فريدة تفوق تقانات المعلومات المتاحة حاليا. [1]
وإحدى هذه الخواص الغريبة هي خاصية كمومية للإلكترون تُعرف باسم السپين (التدويم) spin وذات صلة وثيقة بالمغنطيسية. فالتجهيزات التي تعتمد على استخدام سپين الإلكترون لتأدية وظائفها تكوِّن أساس الإلكترونيات السپينية (وهذه الكلمة هي اختصار لـ spin-based electronics)، التي تُعرف أيضا بالإلكترونيات المغنطيسية magnetoelectronics. لذلك كان لتقانة معالجة المعلومات اعتماد كبير على التجهيزات الشحنية ـ بدءا من الصمام الخلائي vacuum tube الذي أصبح غريبا الآن، وانتهاء بالشيپات الميكروية ذات المليون ترانزستور. هذه التجهيزات الإلكترونية التقليدية تحرِّك الشحنات الكهربائية متجاهلة السپين الذي تُلحقه في طريق كل إلكترون.
ومع ذلك فإن المغنطيسية (ومن ثَمّ سپين أي تدويم الإلكترون) تبقى مهمة على الدوام في مسألة تخزين المعلومات. فسوّاقات الأقراص الصلبة في الحواسيب المغرِقة في القدم مثلا استعملت المقاومة المغنطيسية ـ وهي تغيُّر في المقاومة الكهربائية ينجم عن حقل مغنطيسي ـ لقراءة البيانات المخزنة في الحقول المغنطيسية. لذا فليس مستغربا أن تُحقق صناعة وسائط خزن المعلومات النجاحات الأولية في تقانة الإلكترونيات السپينية. فمعظم الحواسيب المحمولة أصبحت الآن مزودة بسواقات أقراص صُلبة بسعات عالية تَرزُم كمية هائلة من البيانات في كل مليمتر مربع. تعتمد هذه السواقات على مفعول السپين الإلكتروني ـ تلك المقاومة المغنطيسية الهائلة giant magnetoresistance (GMR) ـ لقراءة مثل هذه البيانات الكثيفة.
هناك تقانات خزن أكثر تعقيدا وتطورا ـ تعتمد على الإلكترونيات السپينية ـ أصبحت الآن في مرحلة متقدمة: وفي السنوات القليلة المقبلة سيَظهر في الأسواق نمط جديد من ذواكر الحاسوب، هو MRAM أو ذاكرة RAM المغنطيسية. تستطيع هذه الذاكرة أن تحتفظ بمحتوياتها حتى في حالة انقطاع التيار الكهربائي، ولكنها، خلافا للأنماط الحالية من الذاكرة اللامتلاشية (الراسخة، المستقرة) nonvolatile memory، تمتلك سرعة ابتدال (تبديل) switching rate وقابلية لإعادة الكتابة تفوق ذاكرة RAM التقليدية.
تمتاز رؤوس القراءة وذواكر MRAM الحالية بأنها مصنوعة من سبائك معدنية مغنطيسية حديدية. وتشكل مثل هذه التجهيزات المعدنية الفئة الأولى ـ والأكثر نضجا ـ من فئات الإلكترونيات السپينية الثلاث. أما في الفئة الثانية، فتتدفق تيارات مستقطَبة بالسپين spin-polarized في أشباه الموصلات بدلا من المعادن. وسيسمح تحقيق إلكترونيات سپينية عمليةٍ في أشباه الموصلات بانضمام التقنيات المتوافرة من الإلكترونيات الميكروية، وكذلك بإطلاق أنماط كثيرة أخرى من التجهيزات أتاحتها الخصائص الضوئية العالية الجودة لأشباه الموصلات وقدرتها على تضخيم كل من الإشارات الضوئية والكهربائية في آن معا. ومن أمثلة ذلك المبدالات الفائقة السرعة ultrafast switches، والمعالِجات الميكروية القابلة للبرمجة والمكوَّنة برمتها من إلكترونيات سپينية. ويمكن أن يؤدي هذا النهج في البحث إلى طائفة جديدة من الإلكترونيات المتعددة الوظائف تجمع المنطق والتخزين والاتصالات كلّها في شيپة واحدة.
وعلى الباحثين أن يجيبوا عن أسئلة رئيسية عديدة قبل أن يكون بالإمكان أن تشق الفئة الثانية من التجهيزات طريقَها إلى صناعة قابلة للتطبيق. من هذه الأسئلة: هل نستطيع ابتكار طرائق اقتصادية للجمع بين المعادن المغنطيسية الحديدية وأشباه الموصلات في الدارات المتكاملة؟ وهل بإمكاننا صنع أشباه موصلات لها صفات مغنطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة؟ وما هي الطريقة الفعّالة لإدخال تيارات مستقطبة بالسپين، أو تيارات سپينية، في أشباه الموصلات؟ وماذا يحدث لتيارات السپين في الحدود الفاصلة بين أشباه الموصلات المختلفة؟ وكم تطول مدة احتفاظ تيار السپين باستقطابه في أشباه الموصلات؟
تعمل مجموعاتنا البحثية على الإجابة عن هذه الأسئلة، ولكنها تهتم في الوقت نفسه بهدف آخر أكثر بُعْدًا يتمثل بالفئة الثالثة من التجهيزات: تلك التي تعالج حالات السپين الكمومي للإلكترونيات المفردة. تتضمن هذه الفئة بوابات كمومية سپينية تُمكِّن من بناء حواسيب كمومية واسعة النطاق تفوق إلى حد بعيد الحواسيب المعيارية المصنوعة لأغراض معينة. وتطمح مجموعة منوعة من تقانات دخيلة إلى تحقيق هذا الهدف، منها: الأيونات في المصايد المغنطيسية، والضوء «المتجمد»، والغازات الكمومية الفائقة البرودة التي تسمى متكثِّفات بوز-آينشتاين Bose-Einstein condensates، والرنين المغنطيسي النووي للجزيئات في السوائل ـ أي إن هناك طرائق عديدة لسلخ هذا القط الكمومي، إن جاز التعبير.
وفي اعتقادنا أن من المجدي والمنطقي، بدلا من ذلك، أن نعتمد على الأسس الشاملة لتقانة أشباه الموصلات الإلكترونية التقليدية. وفي الواقع، يبدو أن سلسلة حديثة من الاكتشافات غير المتوقعة تدعم إحساسنا الداخلي بأن الإلكترونيات السپينية توفِّر مسلكا عمليا لتطوير الحواسيب الكمومية وغيرها من آلات المعلومات الكمومية. وسواء استشرفنا المستقبل القريب لإلكترونيات المستهلِك أو المستقبل البعيد للحوسبة الكمومية، فإن الإلكترونيات السپينية تَعِدُ بأن تُحدث ثورة حقيقية.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
استثمار تيارات السپين
إن الفكرة العامة لآلية عمل سپين الإلكترون يمكن أن تستوحى من التسمية نفسها. فإذا تخيلنا كرة ذات شحنة كهربائية صغيرة تُدوّم بسرعة، فإن الشحنات الدائرة على الكرة تعادل دارات صغيرة جدا من تيار كهربائي، وتولِّد حقلا مغنطيسيا مشابها للحقل المغنطيسي للأرض. يعبِّر العلماء عن الدوران عادة بمتجه أو بسهم يشير إلى محور دوران الكرة. وإذا غمرنا الكرة المدوَّمة في حقل مغنطيسي خارجي تتغير طاقتها الكلية تبعا لدرجة محاذاة متجِّه السپين مع الحقل [انظر الإطار في أسفل هذه الصفحة].
أساسيات السپين
إضافة إلى كتلة الإلكترون وشحنته، فإن له كمية ذاتية من الزخم الزاوي تسمى السپين كما لو أنه كرة دقيقة تدوَّم.
يترافق مع السپين حقل مغنطيسي يشبه قضيبا مغنطيسيا صغيرا جدا يتراصف مع محور السپين.
يمثل العلماء السپين بمتجه. ففي حالة كرة تدوَّم «من الغرب إلى الشرق» يكون اتجاه المتجه إلى «الشمال» أو إلى «الأعلى»؛ وإلى «الأسفل» في حالة التدويم المعاكسة.
في الحقل المغنطيسي، تمتلك الإلكترونات ذات السپين العُلوي والسفلي طاقتين مختلفتين.
في التيار الكهربائي العادي تتوجه السپينات عشوائيا، وليس لها أي أثر في تدفق التيار.
تُحدِث تجهيزات الإلكترونيات السپينية تيارات مستقطبة بالسپين، وتَستعمل السپين للتحكم في تدفق التيار.
والإلكترون يشبه إلى حد ما كرة شحنية مُدوَّمة كهذه؛ إذ إن له زخما زاويا (كمية حركة زاوية) angular momentum (أي: «السپين» الخاص به)، ومغنطيسية مرافقة، كما أن طاقته، في حقل مغنطيسي محيط، تتوقف على اتجاه متجه السپين. وهنا تنتهي التشابهات وتبدأ الخصوصيات الكمومية، فالإلكترونات تبدو نماذج مثالية للنقاط التي لا أبعاد لها وليست كرات صغيرة، ولذا لا يصح أن يُصوَّر تدويمها على أنه ينشأ ببساطة عن دوران فعلي. إضافة إلى ذلك، فإن لكل إلكترون الكمية نفسها تماما من السپين، وهي تعادل نصف وحدة كمومية أساسية للزخم الزاوي. إن تلك الخاصية ذات صلات ثابتة بالرياضيات التي تصف جميع الجسيمات الأولية للمادة، وهي نتيجة تتخذ أهميتُها ودلالتُها منحى آخر مختلفا تماما. أما النقطة الأساسية هنا فهي أن السپين مقرونا بالكتلة والشحنة، صفة مميزة للإلكترون.
في التيار الكهربائي العادي، تتوجه السپينات عشوائيا وليس لها دور في تحديد مقاومة السلك أو في تضخيم دارة الترانزستور. بالمقابل، تعتمد تجهيزات الإلكترونيات السپينية على الاختلافات في انتقال إلكترونات «السپين العلوي» spin-up و«السپين السفلي» spin-down، وفي مغنطيس حديدي، مثل الحديد أو الكوبالت، تنزع سپينات إلكترونات معينة على ذرات مجاورة إلى الاصطفاف. أما في قطعة حديدية ذات مغنطة قوية، فيتسع نطاق هذا الاصطفاف ليشمل معظم المعدن. وعندما يمر التيار خلال المغنطيس الحديدي، فإن إلكترونات أحد اتجاهات السپين تنزع إلى أن يعترض سبيلها عائق ما. وتكون النتيجة تيارا مستقطب السپين تنحو فيه جميع سپينات الإلكترونات إلى الاتجاه الآخر.
تستطيع المغنطيسية الحديدية أن تؤثر في تدفق التيار حتى في معدن مجاور غير ممغنط. ففي أيامنا هذه مثلا، تَستعمل رؤوس القراءة في سوّاقات الأقراص الصلبة للحواسيب أداة تسمى صِمام السپين spin valve، حيث توضع طبقة من معدن غير ممغنط بين طبقتين من المغنطيس الحديدي. وتكون مغنطة الطبقة الأولى ثابتة، أي موصلة بالمغارز pinned، أما الطبقة الثانية فليست كذلك. فعندما ينتقل رأس القراءة على طول مسلك track البيانات في قرص الحاسوب، فإن الحقول المغنطيسية الصغيرة لتسجيلات الأصفار والواحدات تُغير مغنطة الطبقة الثانية إلى الأمام وإلى الخلف على نحو مواز أو غير مواز لمغنطة الطبقة الثابتة الموصَّلة بالمغارز. ففي حالة التوازي، لا تتدفق عبر الموصِل بسهولة سوى الإلكترونات المتكيفة مع الاتجاه المفضل. وفي حالة عدم التوازي، تُعوَّق جميع الإلكترونات. وتسمح هذه التغيرات الحاصلة في التيار للمقاومة GMR في رؤوس القراءة بالكشف عن حقول أضعف من سابقاتها، بحيث يمكن تخزين البيانات باستعمال مواضع محكمة المغنطة في القرص، وبذلك تزيد كثافة التخزين ثلاث مرات.
ثمة أداة أخرى ذات طبقات ثلاث، تسمى الوُصلة النفقية المغنطيسية magnetic tunnel junction، لها طبقة عازلة رقيقة بين المعدنين المغنطيسيين الحديديين [انظر الشكل في أعلى هذه الصفحة]. يتدفق التيار خلال الأداة بواسطة عملية العبور النفقي الكمومي: إذ يتمكن عدد صغير من الإلكترونات بالقفز عبر الحاجز العازل حتى لو كانت ممنوعة من البقاء فيه. ويُمنَع التيار النفقي من العبور إذا تعاكس اتجاه الطبقتين المغنطيسيتين الحديديتين، في حين يُسمح له بالعبور إذا توافق اتجاههما.
وصلة نفقية مغنطيسية
تخزِّن ذواكر MRAM (ذواكر RAM المغنطيسية) البيانات في الوصلات النفقية المغنطيسية، التي تحتفظ بوضعياتها حتى في حالة انقطاع التيار. وتبدو في الأسفل شيپة MRAM حجمها 256 كيلوبايت. وتمتلك الوصلات النفقية طبقتين مغنطيسيتين حديديتين يفصل إحداهما عن الأخرى حاجز عازل رقيق. تَستقطب الطبقة الأولى سپينات الإلكترونات الحاملة للتيار، التي تعبر الحاجز إلى الطبقة الثانية بعبور نفقي كمومي عندما تكون الطبقتان متحاذيتين ["0" أعلى اليسار]. وعندما تكون الطبقة المغنطيسية الحديدية معكوسة، ينخفض العبور النفقي ["1" أسفل اليسار].
تشكل الوصلات النفقية أساس شيپات MRAM التي ذكرناها آنفا. وتستطيع كل وصلة أن تُخزِّن بتة واحدة من البيانات في اتجاه طبقتها المغنطيسية الحديدية غير الثابتة. وتحتفظ هذه الطبقة بحالتها المغنطيسية، سواء كان التيار موصولا أو مفصولا، على الأقل ريثما تعاد كتابتُها ثانية بتأن.
ففي حين توفر أدوات الإلكترونيات السپينية المعدنية ـ الموصوفة قبلا ـ طرائق جديدة لتخزين المعلومات، فإن الإلكترونيات السپينية المبنية على أشباه الموصلات يمكنها أن تقدم إمكانات أكثر أهمية. ولما كانت أشباه الموصلات التقليدية ليست مغنطيسية حديدية، فقد يتساءل المرء كيف يكون في قدرة أدوات الإلكترونيات السپينية شبه الموصلة العمل أصلا. لذلك كان أحد الحلول توظيفَ المعدن المغنطيسي الحديدي لإدخال تيار سپين مستقطب في أشباه الموصلات.
في عام 1990، اقترح S. داتاو A .B. داس [اللذان كانا يعملان في جامعة پردو حينذاك] تصميما لترانزستور المفعول الحقلي ذي التدويم المستقطب spin-polarized field-effect transistor، FET السپيني اختصارا [انظر الشكل في الصفحة 32]. ففي ترانزستور المفعول الحقلي FET التقليدي، تَجري قناة ضيقة من شبه الموصل بين مسريين (إلكترودين) يسميان المصدر source والمصرف drain، وعندما تُطبق ڤلطية على المسرى البوابي الواقع فوق القناة، فإن الحقل الكهربائي الناتج يطرد الإلكترونات خارج القناة (مثلا)، محوِّلا القناة إلى عازل. أما ترانزستور المفعول الحقلي التدويمي المسمى «داتا-داس»، فله مصدر ومصرف مغنطيسي حديدي بحيث يكون التيار المتدفق في القناة مستقطب التدويم. وعندما تُطبق ڤلطية على البوابة، فإن السپينات تدور لدى مرورها في القناة، ويطرح المصرف الإلكترونات غير المتراصفة.
مفهوم الترانزستور السپيني
أحد التصاميم المقترحة لترانزستور المفعول الحقلي السپيني، له مصدر ومصرف، مفصولان بقناة شبه موصلة ضيقة، تماما مثل ترانزستور المفعول الحقلي التقليدي. وفي ترانزستور المفعول الحقلي السپيني يكون المصدر والمصرف ـ كلاهما ـ مغنطيسيين حديديين. يرسل المصدر إلكترونات سپين مستقطب في القناة فيتدفق تيار السپين هذا بسهولة إذا وصل إلى المصرف دون أن يتغير (في الأعلى). وتعطي ڤلطية مطبقة على مسرى البوابة حقلا كهربائيا في القناة، وهذا يسبب حركة بدارية أو دوران سپينات الإلكترونات السريعة التنقل (في الأسفل). ويعوق المصرف تيار السپين تبعا لمدى دوران السپينات. إن قلب flipping السپينات بهذه الطريقة يتطلب طاقة أصغر بكثير، كما أنه أسرع من ترانزستور المفعول الحقلي التقليدي عند معالجة الشحنات المندفعة خارج القناة بوجود حقل كهربائي كبير.
يتميز ترانزستور FET السپيني من التقليدي بمزايا عدة؛ منها أن قلب flipping سپين الإلكترون يحتاج إلى طاقة أقل بكثير، ويمكن أن يتم بسرعة أكبر من سرعة دفع الإلكترون خارج القناة. ويمكن أن يتخيل المرء أيضا تغير اتجاه المصدر أو المصرف بوجود حقل مغنطيسي، لتقديم نمط تحكم إضافي لم يكن ممكنا في ترانزستور المفعول الحقلي التقليدي هو: بوابات منطقية يمكنها تغيير وظائفها أثناء عملها.
ومع ذلك، لم يُفلح أحد حتى الآن في صنع نموذج أولي لترانزستور المفعول الحقلي التدويمي الذي اقترحه <داتا> و <داس>، وذلك بسبب صعوبات في إدخال تيارات سپين من معدن مغنطيسي حديدي بفعّالية إلى شبه الموصل. ومع أن هذه المسألة بقيت موضوعا مثيرا للجدل، فقد دلّت التجارب الضوئية الحديثة في مختبرات متعددة في أنحاء العالم على أن إدخال سپين فعّال إلى أشباه الموصلات يمكن تحقيقه بالفعل باستعمال مواد غير تقليدية، تسمى أشباه الموصلات المغنطيسية، تدمج المغنطيسية بإشابة doping بلورات شبه الموصل بذرات من قبيل المنغنيز.
لقد صُممت بعض أشباه الموصلات المغنطيسية لإظهار الخاصية المغنطيسية الحديدية، وبذا وفرت مكونا إلكترونيا تدويميا يسمى المغنطيس الحديدي البوابي gateable ferromagnet، قد يؤدي يوما ما دورا مهما في الترانزستورات السپينية. في هذه الأداة، تُبدِّل ڤلطية صغيرة شبهَ الموصل من حالة لامغنطيسية إلى حالة مغنطيسية حديدية. وقد يُستعمَل هذا المغنطيس بدوره مرشحا تدويميا ـ وهو أداة تُمرِّر، عند تشغيلها، حالة تدويم واحدة، وتعترض سبيل الأخرى.
ويمكن تضخيم أثر الترشيح بوضع المغنطيس الحديدي في ديود نفقي رنيني resonant tunnel diode. فالديود النفقي الرنيني التقليدي يسمح للتيارات بالتدفق عند ڤلطية معينة، هي الڤلطية التي تكون فيها للإلكترونات طاقة رنينية في العازل النفقي. أما الديود المدمج بالمغنطيسية الحديدية فسيكون له عازل بڤلطيات رنينية مختلفة للسپينات العلوية والسفلية.
ولعل أكثر التطورات إثارة في أشباه الموصلات الإلكترونية السپينية هي أدوات لم نتخيلها بعد. أما السؤال الذي يُعد مفتاح البحث لهذه المجموعة الثانية من الإلكترونيات السپينية فهو كيف تتمكّن
الإلكترونات من الاحتفاظ بحالة سپينية معينة عند انتقالها عبر شبه الموصل أو من مادة إلى أخرى؟ فترانزستور المفعول الحقلي السپيني مثلا لن يعمل ما لم تبق الإلكترونات مستقطبة عند دخول القناة وبعد انتقالها إلى نهايتها البعيدة.
إن السؤال عن سرعة اضمحلال استقطاب السپين يصبح أكثر إلحاحا إذا أردنا بناء حاسوب كمومي مؤسس على سپينات الإلكترون. وهذا يتطلب التحكم في خاصية تُعرف بالترابط الكمومي quantum coherence، وهو في جوهره الطبيعةُ الكمومية المحضة لجميع مكوِّنات الحاسوب الحاملة للبيانات. فالبيانات الكمومية في أشباه الموصلات القائمة على شحنات الإلكترونات تنزع إلى فقد ترابطها، أي تتشتت خلال بضع پيكوثوان، حتى عند درجات الحرارة القرّية(2). أما البيانات الكمومية القائمةُ على السپين فهي بطبيعتها أكثر ثباتا. ومن المستغرب حقا أن مجموعاتنا البحثية عثرت ـ مصادفة ـ على نتائج أساسية مهمة متعلقة بسپينات الإلكترون المترابطة، أثناء إجراء تجارب رامية إلى تطوير أشباه موصلات مغنطيسية عملية.
مفاجأة سارّة
في عام 1997 كنا نجري تجاربنا في جامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا على سيلينيد الزنك ZnSe، وهو شبه موصل تقليدي دُرس طويلا. وكان هدفنا أن يكون هذا السيلينيد هو العامل المتحكم في مشروع قائم يبحث في أشباه الموصلات المغنطيسية. وقد استعملنا في تجربتنا نبضات من الضوء المستقطب دائريا لحث بِرَك (مجموعات) pools من الإلكترونيات في المادة ZnSe على اتخاذ حالات سپينية متماثلة. ففي موجات الضوء المستقطب دائريا، تَدور الحقول الكهربائية والمغنطيسية في دائرة مستعرضة لاتجاه الضوء، بدلا من تذبذب شدّاتها.
وقد أرسلنا نبضات فائقة القصر (100 فمتوثانية) أفقيا خلال شبه الموصل، وذلك لإثارة الإلكترونات ـ التي كانت في البداية متراصفة مع الشعاع الضوئي ـ إلى حالات سپينية أفقية. ففي حقل مغنطيسي رأسي محيط تتخذ سپينات الإلكترون حركة بدارية precession ـ فيدور اتجاه متجه سپين كل إلكترون في المستوى الأفقي على نحو مشابه للحركة البدارية لجيروسكوب مائل في حقل جاذبية الأرض. وقد مكنتنا هذه الحركة من مراقبة طول المدة التي تبقى فيها هذه الحالات مترابطة، ولكن حالة السپين الأفقية لها خاصية أخرى أكثر أهمية.
لا يمثل السپين الأفقي أي خصوصية في كرة البيسبول مثلا، ويكون متميزا تماما من النمطين الرأسيين للسپين. أما في الإلكترونات، فإن حالات السپين الكمومية الأفقية هي حالات تراكب superpositions مترابطة فعليا لحالات سپينية علوية وسفلية. وبالفعل، فإن مثل هذه الإلكترونات هي في حالة عُلوية وسفلية في آن معا. وهذا بالضبط هو نوع التراكب المترابط للحالات المستعملة في الحواسيب الكمومية. [انظر الإطار في الصفحة المقابلة].
يستطيع سپين كل إلكترون أن يمثل بتة؛ فالواحد 1 مثلا للسپين العلوي، والصفر 0 للسپين السفلي. ويبذل المهندسون في الحواسيب التقليدية أقصى استطاعتهم لكي يضمنوا بقاء البتات في حالات مستقرة ومحددة. وبالمقابل، تعتمد الحواسيب الكمومية على تكويد (ترميز) المعلومات ضمن بتّات كمومية qubits تستطيع كل منها أن توجد في تراكب من الصفر 0 والواحد 1. وبالحصول على عدد كبير من البتات الكمومية في تراكبات من الحالات البديلة، فإن الحاسوب الكمومي يتضمن فعليا توازيا جسيما، بحيث تستطيع الخوارزميات الكمومية العمل على عدة أرقام في وقت واحد.
لكن من المؤسف حقا ـ في معظم النظم الفيزيائية ـ أن تُعطِّل التآثرات مع البيئة المحيطة حالات التراكب هذه بسرعة؛ إذ إن التعطيل النموذجي من شأنه أن يُغير فعليا تراكبا من 0 و 1، إما إلى 0 أو إلى 1 عشوائيا، في عملية تسمّى فك الترابط decoherence. على أن أحدث الدراسات على البتات الكمومية القائمة على شحنة الإلكترونات في أشباه الموصلات استطاعت الإبقاء، في بعض التطبيقات العملية، على الترابط لبضع پيكوثوان في أحسن الأحوال ـ وعند درجات حرارة منخفضة جدا فقط، ربما لا تتحقق في التطبيقات العملية. ويحصل فك الترابط السريع بسبب شدة القوة الكهربائية بين الشحنات وطول مجالها. ولكن هذا التآثر الشديد مفيد في تجهيزات أشباه الموصلات التقليدية، لأنه يسمح بتحكم دقيق في تدفق التيار في حقول كهربائية صغيرة. ومع ذلك فهو غير محمود في تجهيزات الترابط الكمومية.
ولا تتآثر البتات الكمومية ذات السپين الإلكتروني إلا بدرجة ضعيفة مع البيئة المحيطة بها، ويحدث ذلك في المقام الأول عن طريق الحقول المغنطيسية غير المنتظمة في الفضاء أو المتغيرة مع الزمن، علما بأن حقولا كهذه يمكن تحجيبها بفعّالية. لقد كان الهدف من تجربتنا إحداث بعض حالات السپين المترابطة في شبه الموصل لمعرفة مدة بقائها صالحة. وهذه النتائج مفيدة أيضا لفهم كيفية تصميم تجهيزات من قبيل الترانزستورات السپينية التي لا تعتمد على الحفاظ على الترابط الكمومي لسپين إلكترون مستقل والكشف عنه.
كذلك وفّرت تجربتنا قياسا لمعدل فكّ الترابط بواسطة مراقبة الحركة البدارية للسپينات، فكل إلكترون يتابع حركته البدارية مادام تراكبه مترابطا. واستعملنا في سبيل ذلك نبضات ضوئية ضعيفة لمراقبة الحركة البدارية، فحصلنا بالنتيجة على صور ستروپوسكوبية stroboscopic للتحريك السپيني. فعندما قامت الإلكترونات بحركتها البدارية تذبذب مقدار الإشارة المقيسة؛ وعندما تلاشى الترابط خمد التذبذب إلى الصفر.
ومما أدهشنا كثيرا أن حالات السپين المثارة ضوئيا في المادة ZnSe بقيت مترابطة لعدة نانوثوان في درجات حرارة منخفضة ـ أي لمدة أطول 1000 مرة من البتّات الكمومية القائمة على الشحنة. بل إن هذه الحالات بقيت موجودة لبضع نانوثوان حتى في درجة حرارة الغرفة. وقد أظهرت دراسات لاحقة على إلكترونات زرنيخيد الگاليوم (GaAs) ـ وهو شبه موصل عالي الجودة شائع الاستعمال في التطبيقات اليومية من قبيل الهواتف الخلوية ومشغلات الأقراص المدمجة CD ـ أنه في الشروط المثلى يمكن أن يبقى ترابط السپين في شبه الموصل مئات النانوثواني في درجات الحرارة المنخفضة.
البتات الكمومية في الإلكترونيات السپينية
لكل بتة في الحاسوب التقليدي قيمة محددة 0 أو 1. وتمثل سلسلة من ثماني بتات أي عدد من 0 إلى 255، ولكن عددا واحدا فقط كل مرة.
سپينات الإلكترون المحصورة بالسپين العُلوي والسفلي يمكن استخدامها كبتات.
يمكن أن توجد البتّات الكمومية أيضا كتراكبات من 0 و 1، وفي الواقع تمثَّل بكلا العددين معا، ومن ثم فإن ثماني بتات كمومية يمكنها أن تمثل أي عدد من 0 إلى 255 في وقت واحد.
إن سپينات الإلكترون هي بتات كمومية طبيعية: فالإلكترون المائل هو تراكب مترابط لسپين علوي وسپين سفلي، وهو أقل هشاشة من حالات إلكترونية كمومية أخرى.
إن البتات الكمومية رهيفة إلى حد بعيد: فالتآثرات المتناثرة في الوسط المحيط تقوض التراكبات بسرعة بالغة، محوّلة إياها عادة إلى بتّات عادية عشوائية.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
أخطار الثقوب
أظهرت هذه التجارب أيضا الميزات الحاسمة لبلوغ أزمنة ترابط تدويم طويلة. وتكمن الأهمية الأولى في طبيعة حوامل السپين والشحنة. فشبه الموصل له نطاقان (عُصابتان) أساسيان key bands من الحالات يمكن أن تشغلهما الإلكترونات: نطاق التكافؤ valence band ويكون ممتلئا عادة، ونطاق التوصيل conduction band (عند طاقة أعلى بقليل) ويكون فارغا عادة. وتأتي حوامل الشحنة في أشباه الموصلات على صفتين: إلكترونات توصيل وهي إلكترونات في نطاق التوصيل، وثقوب تكافؤ وهي إلكترونات فُقدت من نطاق التكافؤ. تحمل الثقوب السپين لأن جميع السپينات تُلغَى في نطاق التكافؤ الممتلئ: ذلك أن نزع إلكترون واحد يخلِّف اختلالا في السپين الصافي، تماما كما يخلِّف شحنة موجبة صرفا.
فالثقوب لها أزمنة ترابط سپينية أقصر بكثير من الإلكترونات، وتبادل السپين بين الإلكترونات والثقوب عملية فاعلة جدا تسرِّع فك الترابط لكل منهما. ولهذه الأسباب كان من المفيد الحصول على حوامل بلا ثقوب، وهو شرط يتحقق باستعمال بلّورات شبه موصلة مشوبة بالنوع n. وقد جرت إشابة هذه البلورات للحصول على بعض الإلكترونات الزائدة في نطاق التوصيل دون أي ثقوب تكافؤ مقابلة.
تستطيع الإلكترونيات السپينية المبنية على أشباه الموصلات الجمع بين المنطق والتخزين والاتصالات في شيپة واحدة. عندما تُحذف الثقوب، فإن المصدر المهيمن الباقي لفك الترابط يأتي من الأثر النسبوي: ذلك أن الجسم الذي يتحرك بسرعة عالية خلال حقل كهربائي «يَرى» أن الحقل يتحول جزئيا إلى حقل مغنطيسي. ففي حالة الإلكترون الذي يتحرك في شبه الموصل تقوم بنية بلورة المادة بتوفير الحقل الكهربائي، إذ إن سپين إلكترون سريع الحركة يتخذ حركة بدارية حول الحقل المغنطيسي الموضعي الناتج الذي «يراه». وفي كل طاقم من طواقمنا، هناك 10 بلايين أو نحوها من الإلكترونات المثارة لها مجال سرعات، لذا فهي تأخذ حركتها البدارية بطرائق شتى؛ فسپينا إلكترون ينطلقان على التوازي يمكنهما أن يتطورا حالا ليشيرا إلى اتجاهين متعاكسين. وبازدياد هذا اللاتراصف فيما بين الإلكترونات، يتضاءل متوسط استقطاب السپين، الذي قاسته تجربتنا بوصفه نقصا في الترابط. وهذا يبعث الأمل في أن تتجاوز أزمنة ترابط السپين لإلكترونات مستقلة، حتى تلك الأزمنة الطويلة جدا التي تلاحظ في الطواقم.
مستقبل السپين
يقترن بعمر الحوامل carriers خاصيتان أخريان حاسمتان في تطبيقات أشباه الموصلات هما: إلى أي مدى يمكن نقل الإثارات، وما هي السرعة التي يمكن أن ننابل manipulate فيها حالة أداة. لقد جرى إيضاح نقل السپين الماكروي (العياني) macroscopic spin transport أولا في زرنيخيد الگاليوم المشوب بالنوع n، ثم قامت نبضة ليزرية بإثارة «بُرَيكة» puddle من الإلكترونات المترابطة ذات الحركة البدارية، كما هي الحال في التجارب التي تتناول الأعمار، ولكن حقلا جانبيا كهربائيا سَحَب الإلكترونات من خلال البلورة. وقد وُجد أن رُزم السپين انتقلت مسافة تزيد على 100 ميكرون (وهي مسافة تزيد كثيرا على حجوم الأدوات الإلكترونية الميكروية الحالية)، مع فَقْدٍ معتدل لاستقطاب السپين [انظر الشكل في الصفحة 33]. وقد نجحت التجارب الحديثة في دفع السپينات المترابطة عبر الواجهات المعقدة بين بلورات أشباه موصلات مختلفة التركيب (من GaAs إلى ZnSe مثلا). ويشار إلى أن ثمة تطبيقات وافرة لأشباه الموصلات ـ من الليزرية إلى الترانزستورية ـ تقوم على بنى متغايرة تضم مواد متباينة. ويمكن تطبيق تقنيات التصميم نفسها على الإلكترونيات السپينية.
وقد تحقق مزيد من التقدم باتجاه معالجة المعلومات الكمومية. من ذلك مثلا، استعمال نبضات ليزرية من رتبة 150 فمتوثانية لإمالة سپينات إلكترون مترابطة، الأمر الذي بيّن أن مثل هذه السپينات يمكن، من حيث المبدأ، منابلتها آلاف المرات قبل أن تفقد ترابطها. وفي غضون ذلك أخذ الباحثون ـ مع اقتراب تحقيق أهدافهم ـ يتحركون بخطى حثيثة لصنع أشباه موصلات مغنطيسية جديدة، يمكنها أن تفتح في النهاية باب ترانزستورات سپينية عملية. إن ثورة الإلكترونيات السپينية منطلقة بقوة نحو الأمام على كل صعيد، وستستمر في توليد تقانات لم تكن لتخطر على بال في عالَم غير كمومي. ▪
المؤلفون
David D. Awschalom - Michael E. Flatté - Nitin Samarth ، بدأ الثلاثة عملهم كفريق واحد؛ عندما كان فلاتيه منذ عهد قريب في إجازة تفرغ علمي في جامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا. أما أوشلوم وسامارث فكانا يشاركان منذ أكثر من عشر سنوات في دراسات تجريبية للإلكترونيات السپينية لأشباه الموصلات. أوشلوم أستاذ في الفيزياء ومدير مركز الإلكترونيات السپينية والحوسبة الكمومية في جامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا. ويعمل فلاتيه في نظرية المادة المكثفة، وهو أستاذ مشارك في جامعة أيوا. أما سامارث فهو أستاذ في الفيزياء بجامعة بنسلڤانيا الحكومية.
انظر أيضا
- Spin pumping
- Spin transfer
- Spinhenge@Home
- Spinplasmonics
- List of emerging technologies
- مقالات في المعرفة تتضمن نصوصا من مجلة العلوم.
- بوابة مجلة العلوم
المراجع
- Electrical Spin and Optical Coherence in Semiconductors. D. D. Awschalom and J. M. Kikkawa in Physics Today, Vol. 52, No. 6, pages 33-38; June 1999.
- Meet the Spin Doctors. P. Ball in Nature, Vol. 404, pages 918-920; April 27, 2000.
- Ultrafast Manipulation of Electron Spin Coherence. J. A. Gupta, R. Knabei, N. Samarth and D. D. Awschalom in Science, Vol. 292, pages 2458-2461; June 29, 2001.
- Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future. S. A. Wolf et ai. in Science, Vol. 294, pages 1488-1495; November 16, 2001.
- Microchips That Never Forget. A. Cho in Science, Vol. 296, pages 246-249; April 12, 2002.
- Semiconductor Spintronics and Ouantum Computation. Edited by D. D. Awschalom, D. Loss and N. Samarth. SpringerVeriag, 2002.
- For more about using spintronics for quantum computing, see
- www.sciam.com/2002/602issue/0602awschalom.html
- Scientific American, June 2002
