DOW-UAP-D129: ספינטרוניקה מתכתית - התנגדות מגנטית ענקית (GMR), מומנט העברת ספין (STT) והבטחת האלקטרוניקה העמידה לקרינה

קובץ: DOW-UAP-D129_AAWSAP-DIRD-Metallic-Spintronics-March-23-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), המנהלה לניתוח; הוכן בידי מחלקת תמיכת הרכש (Acquisition Support Division, DWO-3) במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD) בסדרת "Acquisition Threat Support", מספר בקרה DIA-08-1003-011 תאריך: 23 במרץ 2010 (תאריך חיתוך המידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כשהסימון FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 27 VIRIN: 260918-D-D0360-1118 שחרור PURSUE: 6

תקציר

זהו אחד המסמכים ה"ארציים" ביותר בסדרת ה-DIRD של תוכנית AAWSAP: סקירה מסודרת ושמרנית של פיזיקה שהייתה ב-2010 חלק מזרם המחקר המרכזי, ובחלקה כבר חלק מתעשיית המחשבים. המחבר, ששמו הושחר ומופיע כ-"AAP Person 71", מסביר מהי ספינטרוניקה (spintronics, קיצור של "spin-based electronics"): אלקטרוניקה שבה המידע נישא לא רק על ידי המטען של האלקטרון אלא גם על ידי הספין שלו, תכונה קוונטית שמתנהגת כמו מגנט זעיר.

המאמר, בן 22 עמודים ממוספרים ו-97 הפניות, בנוי בחמישה פרקים: מבוא; התנגדות מגנטית ענקית (GMR); מומנט העברת ספין (STT), כולל ניסויים, יישומים ותנועת קירות תחום מגנטיים; ספינטרוניקה במתכות אנטי-פרומגנטיות; וסיכום. הוא מלווה ב-12 איורים, רובם שרטוטים ותוצאות מדידה שנלקחו מהספרות המדעית.

המסר המרכזי: GMR מאפשרת לגלות אותות מקודדים בספין, STT מאפשר לתפעל אותם, ויחד הן עשויות להוביל לזיכרון "אוניברסלי" ולאלקטרוניקה חסכונית ועמידה לקרינה. המאמר אינו מזכיר עב"מים, תופעות אוויריות בלתי מזוהות או הנעה מתקדמת; הקשר היחיד שלו לתעופה ולחלל הוא טענה על עמידות לקרינה של אלקטרוניקה בחלל.

מאמר מחקר

למה ספין: המבוא וחומת החום

המבוא פותח בבעיה של תעשיית המחשבים: ארבעים שנה של התקדמות התבססו על מזעור, ומזעור נוסף נתקל בפיזור חום גובר. בלשון המחבר, "Changing the spin of an electron is faster and requires less power than moving it" (שינוי הספין של אלקטרון מהיר יותר ודורש פחות הספק מאשר הזזתו) (עמוד 4). הוא מחלק את התחום לשלושה תת-תחומים: חומרים שהם גם מגנטיים וגם מוליכים למחצה, שלדבריו רוב ההתקנים שלהם "עדיין מושגים תיאורטיים"; אפקטים חדשים של הולכה מגנטית במתכות פרומגנטיות; ושיטות לתפעול ספינים בודדים. המאמר מתמקד בשני האחרונים, ומציין ש"The confluence of intense basic science and industry interest in ferromagnetic metal spintronics has not occurred on this scale in physics in a long time" (שילוב כזה של מדע בסיסי אינטנסיבי ועניין תעשייתי בספינטרוניקה של מתכות פרומגנטיות לא התרחש בפיזיקה בהיקף כזה זמן רב) (עמוד 5).

בפרק המסכם מקבלת הבעיה מספרים. לפי חוק מור, צפיפות הטרנזיסטורים תגיע לכ-10 בחזקת 13 לסמ"ר עד 2035, ובתדר שעון של כ-10 ג'יגה-הרץ השבב יפזר כ-40 מגה-וואט לסמ"ר, עומס חום שיעלה על זה של נחיר רקטה (עמודים 21 עד 22). מפת הדרכים הבינלאומית למוליכים למחצה (ITRS) מכנה את הקריסה הצפויה "Red Brick Wall" (חומת הלבנים האדומה), כלומר נקודה שבה אין "known manufacturable solutions" (פתרונות ידועים הניתנים לייצור).

GMR: לקרוא מגנטיות דרך התנגדות

הפרק השני מסביר את ה-GMR, שעל חקירתה הוענק פרס נובל לפיזיקה לשנת 2007. בשכבות-על (multilayers) שבהן שכבות אטומיות של מתכת פרומגנטית מתחלפות בשכבות לא מגנטיות, ההתנגדות החשמלית יורדת בחדות כשמפעילים שדה מגנטי חיצוני. התצפית המקורית נעשתה על שכבות ברזל-כרום (Fe/Cr) שגודלו באפיטקסיה של אלומה מולקולרית (MBE); מחקרים מאוחרים יותר על שכבות קובלט-נחושת (Co/Cu) שהותזו (sputtering) הראו בטמפרטורת החדר התנגדות מגנטית גדולה פי 3 עד 4 מזו של Fe/Cr ופי 13 מזו של סרטי הפרמלוי ששימשו אז בראשי קריאה (עמודים 6 עד 7).

ההסבר נשען על "מודל שני הזרמים" שהציע Mott: אלקטרונים עם ספין "למעלה" ועם ספין "למטה" נושאים זרם בשני ערוצים מקבילים, ומתפזרים חזק יותר כשהספין שלהם הפוך למגנטיזציה של השכבה. כשהשכבות מסודרות במקביל, ערוץ אחד עובר כמעט בלי הפרעה ו"מקצר" את הזרם; כשהן אנטי-מקבילות, שני הערוצים חסומים באותה מידה. המאמר נותן את הנוסחאות (RAF = (R+r)/2 לעומת RF = 2Rr/(R+r)) ומבחין בין זרם במישור השכבות (CIP) לזרם הניצב להן (CPP), שבו ההתנגדות של דגימה ברוחב מילימטר רבוע ובעובי מיקרומטר היא רק כ-10 בחזקת מינוס 7 עד מינוס 8 אוהם (עמוד 8). היישומים שכבר קיימו: ראשי קריאה בכוננים קשיחים המבוססים על "שסתום ספין" (spin valve) ועל "הטיית חילוף" (exchange bias), חיישני סיבוב גלגלי שיניים, ניטור זרם ומבודדים גלווניים.

STT: לכתוב מגנטיות באמצעות זרם

הפרק השלישי, הארוך במאמר, עוסק באפקט ההפוך. STT, שנחזה ב-1996, פירושו שזרם מקוטב-ספין מעביר תנע זוויתי למגנט ויכול להפוך את המגנטיזציה שלו או להכניס אותה לנקיפה (precession). ההסבר הפשוט במאמר נשען על שימור תנע זוויתי ועל החוק השלישי של ניוטון: הספין של אלקטרון החוצה לתוך שכבה פרומגנטית מתיישר עם המגנטיזציה, והמגנטיזציה חשה מומנט-נגד. מאחר שהמומנט של אלקטרון בודד זניח, נדרשות צפיפויות זרם עצומות, מעל 10 בחזקת 12 אמפר למ"ר, ולכן כל הניסויים מעבירים את הזרם דרך היצרות זעירה: מגע נקודתי מכני של פחות מ-10 ננומטר, מגע ליתוגרפי, ננו-חוט או ננו-עמוד (עמודים 9 עד 10).

המחבר מתאר את התצפית הראשונה (1998, הפניה 5) במגע נקודתי לשכבות Co/Cu, את משוואת Landau-Lifshitz-Gilbert (משוואה 1) ואת המושג "זרם קריטי" שמעליו STT גובר על הריסון, ואת היפוך המגנטיזציה בננו-עמוד Py/Cu/Py בחתך של 40 על 120 ננומטר (איור 7). ניסויים בתדר גבוה הראו נקיפה בעשרות ג'יגה-הרץ, מיקרוסקופיית רנטגן סינכרוטרונית עוקבת אחר מגנטיזציה ברזולוציה של כ-100 פיקו-שניות ובכתם של כ-30 ננומטר, ועדיין, כותב המחבר, "the detailed understanding of STT is still the subject of debate" (ההבנה המפורטת של STT עדיין שנויה במחלוקת) (עמוד 14).

היישומים (עמודים 15 עד 18): מתנדים ננומטריים הניתנים לכוונון מכמה ג'יגה-הרץ ועד מעל 100 ג'יגה-הרץ, ואולי עד תחום הטרה-הרץ, עם רוחב קו של 2 מגה-הרץ ומקדם איכות של יותר מ-18,000; STT-MRAM, זיכרון שבו הכתיבה נעשית בזרם ישיר דרך תא הזיכרון במקום בשדה מגנטי שדועך לאט ומפריע לתאים שכנים; וזיכרון "מסלול מרוץ" (racetrack), שבו פולסי זרם מזיזים קירות תחום מגנטיים לאורך ננו-חוט, אפקט שחזה לראשונה Luc Berger ב-1978.

אנטי-פרומגנטים: כיוון מחקר שעוד לא הוכח

הפרק הרביעי הוא החדשני והזהיר ביותר. תחזיות תיאורטיות (MacDonald ושותפיו, 2006) קבעו שגם מתכות אנטי-פרומגנטיות, שבהן המומנטים המגנטיים מסודרים לסירוגין ומבטלים זה את זה, צריכות להראות אפקטים דומים ל-GMR ול-STT, ובצפיפות זרם של כ-10 בחזקת 9 אמפר למ"ר בלבד, לעומת כ-10 בחזקת 11 בשכבות פרומגנטיות. אבל המחבר מסייג מיד: "all calculations to date are for perfect samples and depend on quantum coherence" (כל החישובים עד כה נעשו לדגימות מושלמות ותלויים בקוהרנטיות קוונטית) (עמוד 18).

הניסויים שהוא סוקר מאששים רק חצי מהתמונה. הניסוי היחיד שחיפש GMR אנטי-פרומגנטי (2009, הפניה 87) לא מצא אותו בשכבות מותזות, אולי בגלל פיזור בחומרים לא מושלמים. לעומת זאת, ארבעה ניסויים שונים מצאו שזרם חזק משנה את ה"נעיצה" של שכבה פרומגנטית הצמודה לאנטי-פרומגנט. בניסוי המפורט (איור 12), על 29 מגעים בשלוש דגימות, זרם בכיוון אחד חיזק את הנעיצה ובכיוון ההפוך החליש אותה; מאחר שהשינויים הפוכים לפי כיוון הזרם, הם אינם יכולים לנבוע מחימום ג'אול בלבד (עמודים 20 עד 21).

מה המאמר אינו אומר

אין במאמר שום אזכור של עב"מים, של כלי טיס בלתי מזוהים, של הנעה או של כלי נשק. הוא גם אינו מציע לוחות זמנים, מלבד תחזית חוק מור ל-2035, ואינו מביא נתונים על עמידות לקרינה; הטענה שספינטרוניקה מתכתית עמידה לקרינה מוצגת כהנמקה איכותית בסיכום. המחבר עצמו כותב ש-"much fundamental work remains to be done before we see commercial applications of these devices" (נותרה עוד עבודה יסודית רבה לפני שנראה יישומים מסחריים של התקנים אלה) (עמוד 22). יש גם שגיאות עריכה קטנות: "SST" במקום STT בכמה מקומות, ובתיאור איור 12 מתחלפות התוויות של השכבה ה"חופשית" והשכבה ה"נעוצה" (F1 ו-F2) לעומת כיתוב האיור.

במונחי 12 התחומים הטכניים של הצהרת היעדים (DOW-UAP-D110), המאמר שייך בעיקר ל"נושאים תומכים", עם זיקה אפשרית לבקרה (עיבוד מידע וחיישנים על הכלי) ולחומרים (שכבות מגנטיות ננומטריות). כהקשר כללי: STT-MRAM, שהמאמר צפה אך לא תיארך, הגיע מאז לייצור מסחרי.

משמעות

ערכו של המסמך אינו בחידוש מדעי אלא במה שהוא מלמד על תוכנית AAWSAP. הוא מראה שחלק ממסמכי הייחוס שלה היו סקירות קונבנציונליות של מדעי החומרים והאלקטרוניקה, שנכתבו ברמה של מאמר סקירה אקדמי ונשענו כמעט כולן על ספרות מבוקרת (Physical Review Letters, Nature, Science). הקשר לתעופה ולחלל מנוסח בזהירות, בסוף המאמר: "The radiation resistance would be of particular interest for aerospace applications because the radiation in space is known to severely damage conventional electronics by building up a destructive charge in transistors" (העמידות לקרינה תעניין במיוחד יישומי תעופה וחלל, משום שידוע שהקרינה בחלל פוגעת קשות באלקטרוניקה קונבנציונלית על ידי הצטברות מטען הרסני בטרנזיסטורים) (עמוד 22).

לקוראים שמחפשים בסדרה ראיות לטכנולוגיה חריגה, זהו מסמך שאין בו כאלה. לקוראים שרוצים להבין את רוחב היריעה של התוכנית, הוא דוגמה ברורה לתחום "הנושאים התומכים": תשתית אלקטרונית שכל כלי טיס עתידי, קונבנציונלי או לא, יזדקק לה.

אנשים מרכזיים

מקומות

המאמר אינו מזכיר מקומות אחרים; הוא עוסק בניסויי מעבדה שהתפרסמו בספרות, ללא ציון מיקומם.

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"In spintronic devices, information is carried not by the electron's charge, as in conventional microchips, but by the electron's intrinsic spin." (בהתקנים ספינטרוניים המידע נישא לא על ידי המטען של האלקטרון, כמו בשבבים קונבנציונליים, אלא על ידי הספין הפנימי שלו.) -- עמוד 4

"Changing the spin of an electron is faster and requires less power than moving it." (שינוי הספין של אלקטרון מהיר יותר ודורש פחות הספק מאשר הזזתו.) -- עמוד 4

"The confluence of intense basic science and industry interest in ferromagnetic metal spintronics has not occurred on this scale in physics in a long time." (שילוב כזה של מדע בסיסי אינטנסיבי ועניין תעשייתי בספינטרוניקה של מתכות פרומגנטיות לא התרחש בפיזיקה בהיקף כזה זמן רב.) -- עמוד 5

"Linewidths as narrow as 2 megahertz were demonstrated (Reference 55), leading to quality factors over 18,000." (הודגמו רוחבי קו צרים עד 2 מגה-הרץ, המובילים למקדמי איכות של יותר מ-18,000.) -- עמוד 16

"Note, however, that all calculations to date are for perfect samples and depend on quantum coherence. It is known that disorder can reduce the predicted effects." (יש לשים לב שכל החישובים עד כה נעשו לדגימות מושלמות ותלויים בקוהרנטיות קוונטית. ידוע שאי-סדר עלול להקטין את האפקטים החזויים.) -- עמוד 18

"Unless the energy dissipation from transistor switching can be reduced dramatically, the thermal load associated with 40 MW/cm2 will exceed that in a rocket nozzle." (אם פיזור האנרגיה במיתוג טרנזיסטורים לא יופחת באופן דרמטי, עומס החום של 40 מגה-וואט לסמ"ר יעלה על זה שבנחיר רקטה.) -- עמודים 21 עד 22

"The radiation resistance would be of particular interest for aerospace applications because the radiation in space is known to severely damage conventional electronics by building up a destructive charge in transistors." (העמידות לקרינה תעניין במיוחד יישומי תעופה וחלל, משום שידוע שהקרינה בחלל פוגעת קשות באלקטרוניקה קונבנציונלית על ידי הצטברות מטען הרסני בטרנזיסטורים.) -- עמוד 22

"As the spintronics field is still in a relative state of infancy, new and more exciting phenomena are likely to be uncovered in the future." (מאחר שתחום הספינטרוניקה עדיין בחיתוליו יחסית, סביר שבעתיד יתגלו תופעות חדשות ומרגשות יותר.) -- עמוד 23