לוגיקה מגנטית: מנסים לשלוט בספין

לאלקטרונים יש יותר ממטען חשמלי. יש להם גם תכונה קוואנטית משונה, שנקראת "ספין", המתנהגת כאילו האלקטרון הוא סביבון זעיר ומחושמל. הוא לא, אבל הספין הזה גורם לכך שלאלקטרון נוצר "מומנט מגנטי" גם כאשר הוא לכאורה נמצא במנוחה. כידוע מאז ימי פאראדי ז"ל (אמצע המאה ה-19), שדה מגנטי נוצר על ידי מטענים חשמליים בתנועה (למשל הזרם במנוע חשמלי) - וההפך - ולכן הסיבוב הוירטואלי גורם שכל אלקטרון מתנהג כמגנט זעיר. בגלל האופי הקוואנטי של התופעה, השדה של האלקטרון מקבל רק שני ערכים - "צפוני" ו"דרומי". הבינאריות הזאת מתאימה לכל מי שמחפש עקרונות עבודה חדשים למעגלים ספרתיים.

עד כה השתמשו המהנדסים רק בתכונות החשמליות כדי לבנות מערכות לוגיות והתכונות המגנטיות שימשו רק לאחסון מידע. למשל, על פני השטח של דיסקים וסרטים מגנטיים מרוחה שכבה דקה של חומר "פרומגנטי", בו קיימת נטייה של האלקטרונים לתאם את כיוון המומנטים המגנטיים הזעירים שלהם וליצור ביחד שדה מגנטי חזק. אף אחד עוד לא מצא דרך לטפל בשדה המגנטי של אלקטרון בודד, משום שמדרגת האנרגיה בין שני המצבים "צפון" ו"דרום" היא הקטנה ביותר האפשרית - קוואנט אחד מכוון היטב יהפוך את האלקטרון ואת כיוון המומנט המגנטי שלו (כן, "קפיצה קוואנטית" היא הקפיצה הקטנה ביותר בפיזיקה!). ומצד שני, זו בדיוק הסיבה מדוע שליטה בשדה המגנטי יכולה לספק את המכניזם היעיל ביותר למעגל לוגי. כל אלקטרון יכול, תיאורטית, לשמור סיבית אחת וכל החלפת כיוון יכולה להיות פעולה לוגית בסיסית.

הבעיה היא, שהאלקטרונים לא רוצים להסתדר עם כיווני ספין מוגדרים היטב לפי ציווי המהנדסים. אפילו בחומר פרומגנטי, בו קיימת הנטייה להסתדר ב"עדרים", רק אחוז אפסי מהאלקטרונים יצביעו בכיוון אחד יותר מבכיוון ההפוך. בחומרים אחרים, גם אם מסדרים אותם, תוך ננו-שניות הם מאבדים את הסדר. כל אינטראקציה בין אלקטרון לשריג הגבישי "מפזרת" את הספין שלו ולכן החוקרים מקררים את הגבישים בהליום נוזל, כדי להוריד למינימום את הרעידות התרמיות של השריג. בכלל, קשה "לתפוס" אלקטרון בודד ולאלף אותו לעשות משהו. אי-הוודאות הידועה של תורת הקוואנטים עושה את האלקטרון למהות חמקמקה כמעט כמו ענן. אנו יודעים לדחוף אותו לפה ולשם ולטפל בקלות יחסית בתכונות של "חבילת" האלקטרונים, אבל לא לבצע פעולות עדינות על חלקיק אחד בתוך זרם עצום.

מדע חדש: ספינטרוניקה

פיזיקאים מסוימים לא נרתעים מהקושי והם טורחים על פיתוח ענף טכני חדש, לו הם קוראים Spintronics, כבסיס לחלום הידוע על מחשבים קוואנטיים. בין השאר הם עובדים על טרנזיסטורים של ספין, שמעבירים אלקטרונים עם ספין בכיוון אחד אבל לא ספינים הפוכים, תאי זכרון בהם הספין ישמר לאורך זמן, ואבני בנין ללוגיקה ספרתית, כמו שערי AND, OR ו-XOR. משהו בכיוון ההבטחה המגנטית אפשר כבר לראות ברכיבי זכרון מסוג MRAM, שצפויים לצאת לשוק בשנים הקרובות. נכון להיום רכיבים ניסיוניים מחזיקים רק 256 קילו-סיביות והם רחוקים מאוד מהפוטנציאל של ספינטרוניקה, אך כל מסע של אלף מילין מתחיל בצעד קטן אחד, אומר הפתגם הסיני הידוע.

היתרון הגדול של MRAM הוא שימור המידע ללא צורך בזרם חשמלי קבוע. בניגוד לרכיבי SRAM ו-DRAM על כל הווריאנטים שלהם, תא זכרון מגנטי לא שוכח את מצבו כאשר מכבים את הזרם. כמו פירור אבקה מגנטית על פני הדיסק, הוא יישאר במצב "צפון" או "דרום" עד שמישהו יאלץ אותו לשנות את הכיוון בכוח שדה מגנטי חיצוני. אלא שב-MRAM גם המעגל הלוגי שקורא וכותב את המידע חקוק בשבב עצמו ואין צורך במערכת אלקטרו-מכנית כדי להניע ראש כתיבה, שיאלץ את השינוי בכוח השדה החזק שנוצר בסליל האלקטרומגנטי שלו.

לפני עשרים שנה אינטל, IBM ועוד רבות אחרות, השקיעו מיליארדים בפיתוח רכיב זכרון מגנטי שהיה אמור לספק תכונות דומות. הן קראו לטכנולוגיה הזו "בועות מגנטיות" (Bubble Memory), וכולם היו משוכנעים כי היא תביא את הקץ על הדיסקים ושאר אמצעי האחסון המגנטיים. זה לא קרה, אחרי שהתברר כי קל יותר להגדיל את הצפיפות על הדיסק מלהוסיף בועות לרכיב המגנטי. חסידי האלקטרוניקה הקונונציונלית אומרים דבר דומה בנוגע לספינטרוניקה: בעשרים השנים הבאות יהיה קל יותר להביא תועלת על ידי המשך תהליך המיזעור על פי "חוק מור" מלפתח תשתית טכנולוגית חדשה. כמובן שמדעני הספין חולקים עליכם וטוענים כי כבר בעוד עשר שנים החוק הזה יגיע למבוי סתום אם לא נשנה את המושגים שלנו על הטכנולוגיה הספרתית. אנו לוקחים נשימה עמוקה ומחכים לראות מי צודק.