स्प्रिंट्रोनिक्स में निर्णायक

इतिहास में पहली बार आईबीएम रिसर्च और प्रमुख यूरोपीय शैक्षिक और अनुसंधान केंद्र ईटीएच ज्यूरिख के वैज्ञानिकों ने अर्धचालक में एक स्थिर स्पिन सर्पिल के गठन की छवियां प्राप्त की हैं।








“आमतौर पर, ऐसे इलेक्ट्रॉन स्पिन जल्दी से बदलते हैं और अपनी अभिविन्यास खो देते हैं। लेकिन पहली बार हम बदलते गुणों के एक नियमित चक्र में उनके गुणों को संरेखित करने का एक तरीका खोजने में कामयाब रहे ”

Spintronics के बारे में थोड़ा

स्पिंट्रॉनिक्स (या स्पिन इलेक्ट्रॉनिक्स) आधुनिक भौतिकी का एक काफी युवा क्षेत्र है, कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों के साथ कई शोधकर्ताओं को आकर्षित करता है।
पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स से इसका अंतर यह है कि यदि चार्ज एक सामान्य विद्युत प्रवाह में चलते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन एक नई पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स में चलते हैं।
इलेक्ट्रॉन स्पिन (आंतरिक कोणीय गति) एक इलेक्ट्रॉन की एक आंतरिक विशेषता है जिसमें एक क्वांटम प्रकृति होती है और यह इलेक्ट्रॉन की गति से स्वतंत्र होती है। इलेक्ट्रॉन स्पिन दो अवस्थाओं में से एक में हो सकती है - या तो "स्पिन-अप" (स्पिन की दिशा चुंबकीय सामग्री के चुंबकीयकरण की दिशा से मेल खाती है), या "स्पिन-डाउन" (स्पिन और मैग्नेटाइजेशन को अलग-अलग निर्देशित किया जाता है)।

इलेक्ट्रॉन का "रोटेशन" और इसके ऊपरी और निचले अभिविन्यास सिस्टम में तार्किक बिट्स को एन्कोड करते हैं। जब बिट्स को एन्कोडिंग करते हैं, तो वैज्ञानिक भौतिक स्थान पर ध्यान केंद्रित करने का सुझाव देते हैं जिसमें इलेक्ट्रॉन स्थित होता है। एक इलेक्ट्रॉन जिसकी धुरी को सशर्त रूप से निर्देशित किया जाता है, उसे एक तार्किक इकाई के रूप में लिया जाता है, और एक इलेक्ट्रॉन जिसकी धुरी को सशर्त रूप से नीचे निर्देशित किया जाता है, एक तार्किक शून्य होता है।

स्पिंट्रोनिक्स का मिशन क्या है?
अगले दस से पंद्रह वर्षों में, सिलिकॉन प्रोसेसर अपनी क्षमताओं की सीमा तक पहुंच जाएंगे। इसलिए, अब वैज्ञानिक नए भौतिक सिद्धांतों की तलाश कर रहे हैं, जिन पर कम बिजली की खपत और गर्मी अपव्यय के साथ उच्च गति वाले उपकरणों का निर्माण किया जाएगा।
स्पिनट्रोनिक उपकरणों में, व्यावहारिक रूप से स्पिन करने वाले को ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है, और संचालन के बीच में, डिवाइस को बिजली स्रोत से काट दिया जाता है। यदि आप स्पिन की दिशा बदलते हैं, तो इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा नहीं बदलेगी। इसका मतलब है कि लगभग कोई गर्मी उत्पन्न नहीं हुई है।
विशेषज्ञ स्पिंट्रोनिक्स के विकास की तीन मुख्य दिशाओं को भेद करते हैं: एक क्वांटम कंप्यूटर, एक स्पिन क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर, और स्पिन मेमोरी।
आईबीएम के वैज्ञानिकों के अनुसार, इलेक्ट्रॉन बहुत तेज़ी से अपने स्पिन को बदलते हैं - स्विचिंग पर लगभग 100 पिकोसेकंड खर्च होते हैं (1 पिकोसॉकोंड - एक सेकंड का एक ट्रिलियन)। और यह मुख्य समस्या है - सिस्टम में एक राज्य परिवर्तन दर्ज करने के लिए माइक्रोक्रिस्केट के लिए 100 पिकोसेकंड पर्याप्त नहीं हैं।

कोई फर्क नहीं पड़ता

आईबीएम के शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉन तुल्यकालन के लिए एक विधि विकसित की है, जिससे स्पिन समय को 30 गुना - 1 नैनोसेकंड तक बढ़ा दिया गया है (जो 1 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ एक माइक्रोप्रोसेसर चक्र के बराबर है)।








वैज्ञानिकों का ध्यान एक तथ्य से आकर्षित किया गया था, जो पहले भौतिकविदों द्वारा नहीं बताया गया था - जब इलेक्ट्रॉन अर्धचालक में घूमते हैं, तो उनके स्पिन माइक्रोमीटर के दसियों से चलते हैं, जबकि तुल्यकालिक रूप से घूमते हुए जोड़े की तरह।




“अगर वाल्ट्ज में सर्कल की शुरुआत में सभी महिलाओं के चेहरे एक दिशा में बदल जाते हैं, तो कुछ समय बाद घूमने वाले जोड़े अलग-अलग दिशाओं में दिखेंगे।
अब हमारे पास नर्तकियों के रोटेशन की गति को ठीक करने और इसे उनके आंदोलन की दिशा में बाँधने का अवसर है। यह सही कोरियोग्राफी को दर्शाता है - मंच के एक निश्चित क्षेत्र में सभी नृत्य करने वाली महिलाओं के चेहरे एक दिशा में निर्देशित होते हैं। "

आईबीएम अनुसंधान प्रयोगशालाओं में, वैज्ञानिकों ने अल्ट्रा-छोटे क्षेत्र के भीतर एक साथ घूमने वाले हजारों इलेक्ट्रॉन स्पिनों के आंदोलनों का निरीक्षण करने के लिए अल्ट्राशोर्ट लेजर दालों का उपयोग किया।
आईबीएम के शोधकर्ताओं ने एक समय को सुलझाने वाली स्कैनिंग माइक्रोस्कोप तकनीक को लागू किया और इलेक्ट्रॉन स्पिन की एक तुल्यकालिक "वाल्ट्ज" की छवियां प्राप्त कीं। इलेक्ट्रॉनों के घूमने के रोटेशन के सिंक्रनाइज़ेशन ने 10 से अधिक माइक्रोन (मिलीमीटर के एक सौवें) से अधिक की दूरी पर उनके आंदोलन का निरीक्षण करना संभव बना दिया, जिससे तार्किक संचालन की प्रक्रिया के लिए स्पिन का उपयोग करने की संभावना बढ़ गई - ऊर्जा की खपत के मामले में तेज और किफायती।


सिंक्रोनस स्पिन गति का कारण तथाकथित स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन है, एक भौतिक तंत्र जो स्पिन को इलेक्ट्रॉन की गति से जोड़ता है। प्रयोगात्मक सेमीकंडक्टर नमूना ETH ज्यूरिख के वैज्ञानिकों द्वारा गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) के आधार पर बनाया गया था। गैलियम आर्सेनाइड, एक समूह III / V अर्धचालक, व्यापक रूप से उपकरणों के निर्माण में उपयोग किया जाता है जैसे कि एकीकृत सर्किट, अवरक्त एलईडी और अत्यधिक कुशल सौर सेल।

प्रयोगशालाओं से बाजार में स्पिन इलेक्ट्रॉनिक्स का प्रवेश एक अत्यंत कठिन कार्य है। आज के शोध को बहुत कम तापमान पर किया जाता है, जिस पर इलेक्ट्रॉन स्पिन पर्यावरण के साथ न्यूनतम बातचीत करते हैं। विशेष रूप से, यहां वर्णित शोध कार्य 40 डिग्री केल्विन (-233 सेल्सियस या -387 फ़ारेनहाइट) के तापमान पर आईबीएम के वैज्ञानिकों द्वारा किया गया था।
लेकिन, किसी भी मामले में, नई खोज अर्धचालक उपकरणों में चुंबकीय "चार्ज" की गति पर नियंत्रण देती है और छोटे आकार और ऊर्जा-बचत इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के लिए नई संभावनाओं और संभावनाओं को खोलती है।