د. طارق الهويمل الهندسة الإلكترونية – مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية – السعودية

تعتبر الإلكترونيات المغزلية من المجالات التقنية الحديثة نسبيًا، وأحد فروع الإلكترونيات التقليدية. وقد استطاعت الإلكترونيات المغزلية أن تكون التقنية المنافسة والمساعدة على تجاوز القيود والتحديات التي تواجه صناعة أشباه الموصلات والرقائق الإلكترونية، المتمثلة في زيادة سعة التخزين، وتقليص حجم الدوائر الإلكترونية، وتقليل استهلاك الطاقة؛ حيث أسهمت بشكلٍ كبيرٍ في تخفيض استهلاك الطاقة، وتقليل حجم ووزن الأجهزة الإلكترونية، مما يساعد في اقتصاد البيئة الخضراء. 

يتم تعريف الإلكترونيات المغزلية على أنها أحد فروع الإلكترونيات التقليدية، التي تختص بالتحكم في تدفق واتجاه الإلكترونات في الدوائر الإلكترونية، وتعتمد على حركة دوران الإلكترونات المغزلية –إضافة إلى/ أو بدون شحنة الإلكترونات– لإنتاج تيار كهربائي. كما يمكن أن يُطلق عليها الإلكترونيات المغناطيسية، وذلك لقدرة المجال المغناطيسي على التحكم في حركة الإلكترونات. 

وللتقريب، يمكننا تشبيه حركة الدوران المغزلية للإلكترونات بحركة الأرض حول محورها بالإضافة إلى حركتها حول الشمس، فجزء من الإلكترونات يدور بنفس حركة عقارب الساعة ويرمز له بالغزل العلوي (Spin-up)، والجزء الآخر من الإلكترونات يدور بعكس حركة عقارب الساعة ويرمز له بالغزل السفلي (Spin-down). وينتج عن هذه الحركة المغزلية طاقة مغناطيسية ضئيلة يُستفاد منها في التطبيقات التي لها علاقة بالمجال المغناطيسي، كما سيتم ذكره لاحقًا. ويمكن القول إن البداية الفعلية للإلكترونيات المغزلية هي عندما اكتشف العالم الفرنسي ألبرت فيرت (Albert Fert) والعالم الألماني بيتر غرونبيرغ (Peter Grünberg) –بشكل مستقل– ظاهرة المقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR) Giant Magnetoresistance عام 1988م، التي نالا على إثرها جائزة نوبل في الفيزياء عام 2007م. 

تعتمد الأجهزة الإلكترونية التقليدية وأشباه الموصلات على حركة ناقلات الشحنة الإلكترونية (الإلكترونات)، حيث تكون اتجاهات دوران الإلكترونات عشوائية. عادةً ما يكون لنصف الإلكترونات في الأجهزة الإلكترونية اتجاه دوران للأعلى والنصف الآخر له اتجاه دوران للأسفل، وبالتالي يكون صافي استقطاب الدوران صفرًا في مادة غير مغناطيسية. من ناحية أخرى، في مادة مغناطيسية حديدية تُستخدم في الإلكترونيات المغزلية، فإن عدد الإلكترونات “المغزلية العلوية” والأقلية “المغزلية السفلية” ليست متساوية عند مستوى فيرمي EF في فجوة الطاقة، وبالتالي يمكن إنشاء استقطاب الدوران الصافي عن طريق عدم التوازن. 

تعتمد كفاءة الأجهزة المغزلية على استقطاب الدوران للمواد المغناطيسية الحديدية المستخدمة. وتُعرَّف استقطابية الإلكترونات على أنها الفرق بين عدد إلكترونات الغزل العلوي وعدد إلكترونات الغزل السفلي عند مستوى فيرمي EF في فجوة الطاقة. تعد المواد المستقطبة بالدوران بنسبة 100٪ أحد المتطلبات الأساسية لتحسين كفاءة أجهزة الإلكترونيات المغزلية. ونظرًا لوجود فجوة في نطاق دوران واحد فقط، فمن المتوقع أن تُظهر المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية Half-metallic Ferromagnets (HMF) استقطابًا بنسبة 100٪. وبالتالي، فإن المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية هي أفضل المواد المرشحة للاستخدام في أجهزة الإلكترونيات المغزلية. 

وتكمن أهمية الإلكترونيات المغزلية في أنها أسهمت بشكلٍ كبيرٍ جداً في تطوير تقنيات دقيقة لزيادة حجم تخزين البيانات في محركات الأقراص الصلبة الحديثة Hard Disk Drive (HDD)، وفي ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM) Magnetoresistive Random Access Memory، والحاسبات الكمومية (Quantum Computers)، والحوسبة العصبية (Neural Computing). ويتضح هذا من خلال التحسن الملحوظ في سعة تخزين محركات الأقراص الثابتة (HDD)، الذي يعتمد على الاكتشاف الخارق للمقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR)، والتحسين الناتج عن المقاومة المغناطيسية للأنفاق (TMR) Tunneling Magnetoresistance. 

المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية

المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية هي فئة جديدة من المواد التي لها خاصية فريدة من نوعها لامتلاكها بُنيتين نطاقيتين مختلفتين: نطاق الغالبية العظمى للإلكترونات (عادة ما يتم تمثيله على شكل لفات صاعدة أو غزل علوي أو سهم للأعلى) له تركيب المعادن، في حين أن نطاق الأقلية للإلكترونات (اللفات السفلية ويتم تمثيله بغزل سفلي أو سهم للأسفل) له تركيب أشباه الموصلات –مع فجوة نطاق عند مستوى فيرمي EF في فجوة الطاقة– كما هو موضح في الشكل 1. وبالتالي، فإنها تُظهِر استقطابًا بنسبة 100٪ عند مستوى فيرمي. لذلك، يمكن اعتبار المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية بمثابة حاقن دوراني مثالي للإلكترونات في المواد غير المغناطيسية وبالتالي زيادة كفاءة أجهزة الإلكترونيات المغزلية.

وحتى يمكن استخدام المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية في الأجهزة الإلكترونية المختلفة؛ فيجب أن تتحقق بها ثلاثة متطلبات رئيسة: استقطاب دوران كبير عند مستوى فيرمي EF، ودرجة حرارة كيوري TC عالية وفوق درجة حرارة الغرفة، وجودة جيدة للسطح المكوِّن للمادة المستخدمة. ويستحسن أيضًا أن يكون لديها تطابق جيد في التوصيل على السطوح البينية بين الطبقات المختلفة (عادةً مع أشباه الموصلات)، لتحسين كفاءة حقن وانتقال الإلكترونات. وتعتبر المغناطيسات الحديدية نصف المعدنية قادرة على تلبية هذه المتطلبات نظرًا لقدرتها على إظهار استقطاب الدوران بنسبة 100 ٪ عند مستوى فيرمي.

هناك أربع فئات من المواد التي يُتوقع نظريًا أن تكون مغناطيسات حديدية نصف معدنية:

1. سبائك هويسلر (Heusler alloys) وعلى سبيل المثال: NiMnSb.
2. مركبات مزيج الزنك Zinc-blende compounds وعلى سبيل المثال: CrAs وَ MnAs.
3. البيروفسكايت Perovskites وعلى سبيل المثال: (La, Sr) MnO3.
4. مركبات الأكسيد Oxide compounds وعلى سبيل المثال: Fe3O4 وَCrO2.

سبائك هويسلر (Heusler alloys)

تم اكتشاف سبائك هويسلر في عام 1903م بواسطة فريتز هويسلر Fritz Heusler. يمكن أن تختلف خصائص سبائك هويسلر عن خصائص العناصر المكونة. فعلى سبيل المثال، تعتبر سبيكة Cu2MnAl مغناطيسًا حديديًا على الرغم من عدم كون أي من العناصر الثلاثة المكونة للسبيكة (Cu وَ Mn وَ Al) مادة مغناطيسية بشكل مستقل. وقد اكتُشِفت خاصية نصف المعدن لأول مرة بواسطة دي غروت وآخرين de Groot et al. في عام 1983م في سبيكة هويسلر. ومنذ ذلك الحين، جذبت سبائك هويسلر اهتمامًا كبيرًا نظرًا لتطبيقاتها المحتملة في الإلكترونيات المغناطيسية (والمغزلية لاحقاً)؛ نظرًا لارتفاع درجة حرارة كيوري، ولوجود فجوة نطاق كبيرة نسبياً في مستوى فيرمي.

تأثيرات المقاومة المغناطيسية

يوجد مؤثران أساسيان تعتمد عليهما الإلكترونيات المغزلية هما؛ المقاومة المغناطيسية للأنفاق (TMR) Tunneling Magnetoresistance والمقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR) Giant Magnetoresistance.

1- المقاومة المغناطيسية للأنفاق (TMR)

يتم الحصول على هذه الخاصية من خلال خلية تقاطع النفق المغناطيسي Magnetic Tunnel Junction (MTJ)، الذي يتكون من حاجز نفق رفيع (طبقة عازلة) محاط بقطبين مغناطيسيين، وتعتمد مقاومته على اتجاهات المغنطة النسبية (الموازية أو المضادة) لتلك الطبقتين. وأثناء عملية الانتقال النفقي للإلكترونات، يمكن فقط للإلكترونات المغزلية والدورنية من أحد القطبين أن تنفق في نفس حالات الدوران إلى القطب الآخر. ولأن تكوين المغناطيسية للقطبين يتغيران من المتوازي إلى المضاد، يمكن للإلكترونات ذات الاستقطاب الدوراني الأقل أن تنفق، وبالتالي تكون مقاومة النفق للتكوين المتوازي أقل من مقاومة التكوين المتوازي. ويسمى التغيير في المقاومة هو المقاومة المغناطيسية للأنفاق. ويمكن تحديد نسبة المقاومة المغناطيسية للأنفاق بواسطة الصيغة الرياضية لجوليير Julliere.

2- المقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR)

أدى هذا الاكتشاف إلى أعمال تجريبية ونظرية واسعة النطاق بسبب قابلية التطبيق على الأجهزة على سبيل المثال، قراءة رؤوس محركات الأقراص الثابتة وأجهزة الاستشعار المغناطيسية. ولوحظ تأثير المقاومة المغناطيسية العملاقة أولاً في بنية متعددة الطبقات، تتكون من مادة مغناطيسية وطبقات غير مغناطيسية من الحديد والكروم، على التوالي. وتتكون حاليًا بنية المقاومة المغناطيسية العملاقة عادةً من طبقة ثلاثية للصمام الدوراني، حيث يتم تثبيت طبقة مادة مغناطيسية واحدة، بينما طبقة المادة المغناطيسية الأخرى يمكن عكسها بواسطة مجال مغناطيسي خارجي

يشبه تأثير المقاومة المغناطيسية العملاقة تأثير المقاومة المغناطيسية للأنفاق؛ حيث تعتمد المقاومة الكهربائية على تكوين طبقات المواد المغناطيسية، سواء كانت متوازية أو غير متوازية (عكسية) كما هو موضح في الشكل 2. بالنسبة للتكوين المتوازي، تكون المقاومة أقل من تلك الخاصة بالتكوين المضاد للتوازي بسبب تشتت الإلكترون المستقطب بالدوران. وتتحقق هذه التكوينات من خلال تطبيق مجال مغناطيسي. لذلك يمكن رياضيًا حساب نسبة المقاومة المغناطيسية العملاقة.

تطبيقات الإلكترونيات المغزلية

يوفر التلاعب بالإلكترونات المستقطبة بالدوران مزيدًا من التطوير في أداء الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك تصغير الأجهزة وزيادة سرعة التشغيل وتقليل استهلاك الطاقة. وقد تم بالفعل إطلاق العديد من أجهزة الإلكترونيات المغزلية في الأسواق، وهناك المزيد من الأجهزة قيد التطوير. ومن أبرز التطبيقات ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM)، وترانزستور تأثير المجال المستقطب Spin-polarized (spin-FET)، والحساسات المغناطيسية (Mgnetic Sensors) وغيرها من التطبيقات المتزايدة.

ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM)

تعُد ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية واحدة من أكثر أجهزة الإلكترونيات المغزلية الجديدة الواعدة. ومن المتوقع أن تكون ذاكرة عالمية جديدة، وبالتالي تحل محل محرك الأقراص الثابتة الحالي وذاكرة الوصول للقراءة الديناميكية (DRAM)، و تتمتع بالعديد من المزايا، مثل عدم التقلب؛ أي أنه يتم الاحتفاظ بالمعلومات حتى عند إيقاف تشغيل الطاقة، والسرعة العالية، حيث تكون قراءة وكتابة البيانات في وقت أجزاء من نانو ثانية، وكثافة تخزين عالية (> 1 جيجابت لكل بوصة مربعة)، واستهلاك منخفض للطاقة.

على الرغم من اقتراح مفهومها لأول مرة من قبل شوي (Schwee) عام 1972، فلم يتم إنتاجها إلا في نهاية التسعينيات عندما تم تطوير الذاكرة بسعة 1 كيلو بت بواسطة شركة IBM و 512 كيلو بت بواسطة شركة Motorola. ومنذ ذلك الحين، كان هناك تحسن كبير في السعة التخزينية إلى أن وصلت إلى 16 ميغا بت عام 2008م عن طريق شركة Freescale Semiconductor. ولا تزال المنافسة كبيرة وتتسم بالسرية لإنتاج ذاكرة بِسعَة تخزينية أكبر وباستخدام عدة تقنيات متقدمة.

ويمثل إطلاق الإنتاج التجاري للذاكرة المغناطيسية في عام 2018م في مصانع الإلكترونيات الدقيقة الكبرى بدء اعتماد الإلكترونيات المغزلية في صناعة الإلكترونيات الدقيقة. تتكون ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية أساسًا من خلية تقاطع النفق المغناطيسي لتخزين البيانات، وترانزستور أشباه الموصلات من أكسيد المعادن لقراءة المعلومات وكتابتها. في ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية لا يتم تخزين البيانات كشحنة كهربائية كما هو الحال في الذاكرة الديناميكية التقليدية، ولكن يتم تخزينها كحالة مغنطة في خلية تقاطع النفق المغناطيسي. ويمكن تخزين (قراءة) البيانات المنطقية “0” و “1” باستخدام المغناطيسات النسبية بين الطبقات المغناطيسية الحرة والمثبتة. أما لقراءة البيانات فيمكن استخدام تأثير المقاومة المغناطيسية للأنفاق أو المقاومة المغناطيسية العملاقة. 

وككل التقنيات السابقة؛ تواجه الإلكترونيات المغزلية أو الإلكترونيات المغناطيسية تحديات تعيق استخدامها على نطاق أوسع، تتمثل في عدم توافقها بشكل كامل في طريقة معالجة البيانات مع الطريقة المهيمنة والعمليات المستخدمة حاليًا في الصناعة لتنفيذ تلك الدوائر على الدوائر المتكاملة في الرقائق الإلكترونية، التي تعتمد على تقنيات أشباه الموصلات من أكسيد المعادن Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS). كما يوجد تحدٍ آخر يختص بطريقة انتقال الإلكترونات بين الأسطح المختلفة المكونة للأجهزة، وذلك لاختلاف التركيب الإلكتروني بين تلك المواد المختلفة مما ينتج عنه ما يُسمى انعكاس اللف المغزلي (Spin flip)، ويؤدي إلى تقليل كفاءة أداء الأجهزة. ويجري الباحثون العديد من التجارب والدراسات والأبحاث لتجاوز العقبات التي تواجه تطور صناعة الإلكترونات المغزلية، للوصول بها إلى منافسة التقنيات المتقدمة الحالية.

المراجع:

• F. Alhuwaymel, “New band-gap measurement technique for a half-metallic ferromagnet,” PhD thesis (University of York, UK, 2015); https://etheses.whiterose.ac.uk/10668/.
• Hirohata, K. Yamada, Y. Nakatani, L. Prejbeanu, B. Diény, P. Pirro and B. Hillebrands,
  “Review on spintronics: Principles and device applications,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials509, 166711 (2020).
• كتاب علم وتقنية النانو – دار جامعة الملك سعود للنشر، ترجمة د. هادي القحطاني وَ د. خالد الزهراني، ص 271-315.