Šia­me straips­ny­je pri­sta­ty­si­me spin­tro­ni­ką – su­ki­nių elek­tro­ni­ką. Tai vie­na iš svar­biau­sių da­bar at­gims­tan­čių tai­ko­mo­sios fi­zi­kos sri­čių. Spin­tro­ni­kos pro­gre­sas su­teik­tų vi­siš­kai ki­to­kį in­for­ma­ci­jos ap­do­ro­ji­mo bū­dą. Juo ga­lė­tu­me pa­to­bu­lin­ti kom­piu­te­rius, tau­py­ti ener­gi­ją, spar­čiau at­lik­ti skai­čia­vi­mus ar net pri­si­dė­ti prie kvan­ti­nio kom­piu­te­rio kū­ri­mo. Per daug ne­sva­jo­da­mi, straip­sny­je pa­ban­dy­si­me su­pras­ti kai ku­rias su­ki­nių sa­vy­bes, pa­žiū­rė­si­me, kur jie naudojami. Pa­bai­go­je ap­žvel­si­me ne­įti­kė­ti­ną 2015 m. at­ra­di­mą – in­for­ma­ci­jos per­da­vi­mą ne elek­tros krū­viu, o eg­zo­tiš­ka su­ki­nių ban­ga. Bet apie vis­ką nuo pra­džių.

Kai Luigi Galvani XVIII a. elektra sėkmingai judino mirusių varlių kojeles, niekas negalvojo, kad jo atrastoji „gyvūnų elektra” po kelių šimtų metų padės atlikti sudėtingus skaičiavimus, apšvies miestus ar transportuos žmones, nenaudodama iškastinio kuro. Nuo egzotiškų L. Galvani biologijos eksperimentų prasidėjusi atradimų ir išradimų grandinė mums dabar leidžia mėgautis greitais ir vis greitėjančiais kompiuteriais bei mažais, bet galingais išmaniaisiais telefonais.

Beveik visi mūsų dabar naudojami įrenginiai yra elektronikos pramonės produktai. Žodis „elektronika” naudojamas, nes šių įrenginių veikimas pagrįstas elektronų judinimu iš vienos vietos į kitą. Kiekvienas elektronas turi krūvį, o krūvį veikia stiprios elektrinės ir magnetinės (su L. Galvani varlėmis susijusios) jėgos. Šiomis jėgomis elektronus galima varinėti iš vienos vietos į kitą, idant jie dyki neslampinėtų, o, pavyzdžiui, informacijos bitus perneštų.

Daugelį elektronikos reiškinių neblogai aprašo kasdieninė intuicija. Įsivaizduojame, kad elektronas – mažas, bet turintis tam tikrą masę rutuliukas, tad jį išjudinti galima, veikiant tam tikra jėga – pirmasis Niutono dėsnis skelbia, kad masę turintis daiktas nekeis greičio, kol jo neveiks jokia jėga. Net ir mūsų kompiuterių veikimas pagrįstas daugmaž tais pačiais principais. Supaprastinant, jei tam tikroje vietoje aptinkame keletą elektronų, sakome, kad tranzistorius įkrautas, o kompiuteris rodo 1. Jei elektronų ten nėra – 0. Šių elektronų debesėlių, atitinkančių vienetukus ir nuliukus, manipuliacijomis pagrįstas dabartinių kompiuterių veikimas.

Iki šiol kompiuterių greitėjimą (tiksliau, tranzistorių procesoriuje gausėjimą) neblogai aprašė Moore’o dėsnis, laisvai performuluojant teigiantis, kad kas du metus kompiuteriai tampa dvigubai geresni. Verta atkreipti dėmesį, kad Moore’o dėsnis nėra gamtos dėsnis: jis pradėjo galioti nuo maždaug 1975 m. ir turėtų nustoti galioti maždaug dabar. Norėdami detaliai suprasti, kodėl toks dėsnis įmanomas ir kodėl jis galiojo būtent tuo metu, turėtume studijuoti puslaidininkių technologijas. Visgi, neklystume teigdami, kad procesorių pažangą žymi gebėjimas patikimai užrašyti informacijos bitus – vienetukus ir nuliukus, – tam panaudojant vis mažiau elektronų.

Nors netgi pažangiausios dabartinės mikroprocesoriaus struktūros daug didesnės už vieno elektrono matmenis, Moore’o dėsnis susiduria su rimtomis kliūtimis, susijusiomis, pavyzdžiui, su mūsų mylimų elektronų gainojimui naudojamos energijos nuostoliais. Vaizdžiai šnekant, bandant nugrūsti rutuliuką iš vienos vietos į kitą, jo tyko daug pavojų – pavyzdžiui, visokios priemaišos kristale, – galinčių rutuliuką nukreipti neteisinga kryptimi. Jei tik būtų kaip nors įmanoma perduoti informaciją, panaudojant ne elektrono krūvį ar masę, o kokią nors jo savybę…

Ir vis dėlto jis sukasi!

Jeigu judindami rutuliuką, patiriame nepageidaujamus energijos nuostolius, sprendimas aiškus – rutuliuko nejudinti. Bet informaciją perduoti vis vien norisi. Sutaikyti šiuos apribojimus galima, prisiminus, kad elektronas, be jau minėtos masės ir krūvio, turi dar ir kitą savybę – sukinį.

Sukinys (angliškai – spin) yra kvantinė dalelių savybė, neturinti tikslaus klasikinio atitikmens. Tačiau vaizdumo dėlei tarkime, kad elektronas yra įkrautas rutuliukas, kuris sukasi apie kažkokią ašį. Tas sukimasis generuoja magnetinį lauką – elektronas atrodo kaip mažas magnetukas, turintis šiaurės ir pietų polius, kaip paprasčiausias ant šaldytuvo prilipintas magnetas su paveikslėliu. Nuo bet kokio magneto šiaurės poliaus į pietų polių galime nubrėžti rodyklę. Ši rodyklė, vadinama magnetizacijos kryptimi, padeda matematiškai aprašyti magnetuko orientaciją erdvėje. Paprasčiausiu atveju, sukinį galime įsivaizduoti kaip būtent šią rodyklėlę.

Analogija nėra ideali: apskaičiavus rutuliuko sukimosi greitį, paaiškėja, kad jis didesnis už šviesos greitį vakuume, o taip būti negali (neskaitant kitų šios analogijos trūkumų!). Nepaisant kvantinės prigimties, sukinys tikrai yra elektrono savybė, susijusi su sukimusi – tai patvirtina daug eksperimentų. Be to, sukinį turi ne vien elektronas, bet ir beveik visos elementariosios dalelės (išskyrus, tikriausiai, neseniai atrastą Higgso bozoną – tam teks atlikti daugiau tyrimų).

Lyrinis nukrypimas: iš kur žinome, kad sukinys tikrai egzistuoja?

Nemažai svarbių žinių apie sukinį iliustruoja du žymūs dvidešimtojo amžiaus pradžios eksperimentai, privertę net ir skeptikus neišmesti kvantinės sukinio prigimties į istorijos šiukšlyną vien todėl, kad teorinis aprašymas tuomet atrodė keistas ir neintuityvus.

Visų pirma, du cigarų mėgėjai, Otto Stern ir Walther Gerlach, 1922 m. Vokietijoje leido sidabro garų pluoštelį tarp dviejų magneto polių (žr. paveiksliuką), už kurių pluoštelis atsitrenkdavo į metalinę plokštelę. Savo eksperimentu jie tikėjosi parodyti, kad kvantinė teorija yra niekam tikusi, o atomų elgesį puikiausiai paaiškina ir klasikinė fizika. Klasikinė teorija, kurioje elektronas įsivaizduojamas kaip įprastas magnetukas (tik labai mažas), teigia, kad ant plokštelės turėtų susidaryti linija, einanti iš viršaus į apačią. Taip turėtų būti, nes, pasak klasikinės teorijos, sidabro atomams priklausantis elektronas yra magnetukas, galintis rodyti bet kuria kryptimi. Į viršų rodantis magnetukas nuskris į viršų, į apačią rodantis – apačion, o tuo tarpu gulsčias magnetukas, kurio poliai orientuoti iš kairės į dešinę, turėtų visai niekur nenukrypti. Tarpinės magnetukų padėtys užpildys tarpus, ir taip susidarys tolygi vertikali linija.

Sensacingas šio eksperimento rezultatas – du taškai vietoje linijos, – pasak kito žymaus fiziko Wolfgango Pauli, turėtų įtikinti net ir tokius užkietėjusius kvantinės teorijos skeptikus kaip pats eksperimentatorius O. Sternas. Du taškai atsiranda dėl to, kad, pasak kvantų teorijos, elektrono sukinys kurios nors ašies atžvilgiu gali įgyti tik dvi kryptis: pagal ašies kryptį ir prieš ją. Sakoma, kad sukinio kryptis yra diskretinė, nes ji negali užimti jokių tarpinių verčių, o tik dvi kraštines.

„O kuo čia dėti cigarai?”, – paklaus atidesnis skaitytojas. Pasirodo, ant metalinės plokštelės užgarintas plonas sidabro sluoksnis beveik nepastebimas – tai vos nesutrukdė atlikti Stern-Gerlach eksperimento, nes jo rezultatų tiesiog nesimatė. Laimei, abu minėtieji eksperimentatoriai buvo cigarų mėgėjai. Dar daugiau, dėl mažų profesorių algų, jie rūkė pigius cigarus, kuriuose buvo daug sieros priemaišų. Užpūtus cigaro dūmus ant plokštelės, sidabras reaguoja su siera, susidaro juoda druska (kaip ir fotografijoje), kurią galima plika akimi matyti ant metalinės plokštelės. Taip cigarai pasitarnavo mokslui (bet ne fizikų plaučiams), ir padėjo mums sužinoti svarbią sukinio savybę – jo diskretumą.

Vienintelis Einšteino eksperimentas

Sužinojus apie tokią sukinio savybę, galima pamanyti, kad tai balažin koks keistas kvantinis daiktas, su įprastu sukimusi (fizikų vadinamu judesio kiekio momentu) neturintis visiškai nieko bendro. Kad skaitytoją dar labiau supainiotume, aprašysime ryšį tarp posūkių (judesio kiekio momento) ir sukinio iliustruojantį eksperimentą. Šį eksperimentą pasiūlė ir įgyvendino legendinis Albertas Einšteinas kartu su Wanderiu Johannesu de Haasu antrajame XX a. dešimtmetyje.

Eksperimento idėja (žr. iliustraciją) – labai paprasta. Nuolatinio magneto polius galima sukeisti vietomis, panaudojant pakankamai stiprų išorinį magnetinį lauką (pavyzdžiui, elektromagneto), nes magnetinės medžiagos poliai „nori” susilygiuoti su išoriniu lauko poliais. Šį procesą galima įsivaizduoti kaip magnete esančių sukinių apvertimą: jei eksperimento pradžioje magnetizacijos rodyklė nukreipta vertikaliai aukštyn, visi sukiniai taip pat rodo į viršų. Įjungus elektromagnetą, šis kuria magnetinį lauką, nukreiptą priešinga kryptimi. Pakankamai stiprus išorinis magnetinis laukas visus sukinius apverčia, priversdamas magnetizacijos rodyklę taip pat rodyti žemyn.

Tačiau jeigu sukiniai susiję su judesio kiekio momentu, turėtų įvykti kai kas daugiau. Kas tai galėtų būti? Jei nuolatinis magnetas pakabintas taip, kad galėtų laisvai suktis, judesio kiekio momentas šioje sistemoje yra tvarus (t.y., negali palikti nuolatinio magneto). Vadinasi, jei sukiniai yra iš tiesų susiję su judesio kiekio momentu, pakeitus jų kryptį, pats magnetas turi pradėti suktis, taip kompensuodamas iš sukinių apsivertimo kylantį judesio kiekio momento pokytį.

Galbūt neįtikėtina, bet būtent tai ir išvydo Einšteinas ir W. J. de Haasas praėjusio amžiaus pradžioje – jiems paleidus elektros srovės impulsą į elektromagnetą, nuolatinis magnetas pasisukdavo! Šis eksperimentas kartais vadinamas vieninteliu A. Einšteino eksperimentu, nes, kaip žinia, jis daugiausia užsiėmė teorine fizika. Malonu žinoti, kad nors A. Einšteinas buvo labai skeptiškai nusiteikęs kvantinės teorijos atžvilgiu („Dievas nežaidžia kauliukais”), jo atliktas eksperimentas mums padeda geriau įsivaizduoti, su kuo valgomas tas paslaptingasis kvantinis sukinys.

Žinoma, visų sukinio savybių išsiaiškinimui dviejų pavyzdžių ar trumpo straipsnelio neužtenka, bet, tikimės, kad pavyko skaitytoją įtikinti, jog elektronai nėra dalelės, turinčios vien tik masę ir krūvį. Elektronai turi dar vieną valdymui pasiduodančią savybę – sukinį. Apibendrinant, galima įsivaizduoti, kad prie kiekvieno elektrono prikabinta rodyklėlė, susijusi su sukimusi, bet besielgianti pagal kvantinės fizikos taisykles.

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

Komentarai ()