Spintronics ด้วยซิลิคอน

นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการควบคุม “สปิน” ของอิเล็กตรอนในซิลิคอน อันเป็นพื้นฐานสำคัญไปสู่การประดิษฐ์วัสดุอุปกรณ์ spintronics

นักวิจัยจาก University of Delaware กับบริษัท Cambridge Nano Tech ได้สาธิตให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า สามารถทำการวัดและควบคุม “สปิน” ของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำอย่างซิลิคอนได้ ผลจากการวิจัยครั้งนี้ (อ้างอิงจากแหล่งข่าวของมหาวิทยาลัยเดลลาแวร์) อาจจะเป็นการก้าวกระโดดที่สำคัญในการพัฒนางานวิจัยสาขา Spintronics ที่กำลังอยู่ในขั้นวางรากฐาน
( คำว่า Spintronics มีความหมายคล้ายกับคำว่า Electronics ซึ่งมีที่มาจาก การอาศัยหลักการสร้างอุปกรณ์ต่างๆ บนพื้นฐานการวัดหรือควบคุมปริมาณของประจุอิเล็กตรอน (electron) แต่ Spintronics จะอาศัยการสร้างบนพื้นฐานของคุณลักษณะอีกอันที่สำคัญของอิเล็กตรอน อันได้แก่ “สปิน” และ โดย การอาศัยหลักการ Spintronics นี้ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า จะสามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพในการประมวลผลได้ดีกว่าเป็นจำนวนเท่าในรูปเลขยกกำลัง อย่างเช่น quantum computers เป็นต้น)

ผลการวิจัยที่น่าตื่นเต้นครั้งนี้ เกิดที่ห้องปฏิบัติการของ รองศาสตราจารย์ด้านสาขาวิศวไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ ที่มหาวิทยาลัยเดลลาแวร์ Ian Appelbaum ซึ่งได้ร่วมทำวิจัยกับนิสิตปริญญาเอก Biqin Huang ภายใต้การร่วมมือกับ Douwe Monsma ผู้เป็นหนึ่งในกลุ่มก่อตั้งบริษัท Cambridge Nano Tech โดยผลงานวิจัยชิ้นนี้ ได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสารวิทยาศาสตร์ชั้นนำของโลกอย่าง Nature อีกด้วย

นักวิจัยต่างสถาบันอย่าง Igor Zutic และ Jaroslav Fabian ได้ให้ความเห็นกับผลการทดลองครั้งนี้ในวารสาร Nature ว่า “การใช้งานของคอมพิวเตอร์ทุกวันนี้ ได้ท้าทายความสามารถของ เทคโนโลยีที่สร้างอยู่บนพื้นฐานของซิลิคอนอย่างมาก อย่างเช่น ความต้องการความเร็วสูงมากๆของ processor ความต้องการขนาดใหญ่ๆของหน่วยความจำ หรือ ความต้องการของการประหยัดพลังงาน เป็นสาเหตุให้เกิดแรงผลักดันให้นักวิจัยพยายามค้นหาวิธีการ เทคนิคอื่นๆ ที่จะช่วยเพิ่มศักยภาพของคอมพิวเตอร์โดยอาศัยหลักการนอกเหนือจากพื้นฐานที่เป็นซิลิคอน และในผลการวิจัยของ Ian Appelbaum ครั้งนี้ มันได้บ่งบอกถึงการพัฒนาก้าวสำคัญในการใช้คุณลักษณะทางเลือกใหม่อย่าง สปิน ซึ่งนั่นก็คือ การสาธิตให้เห็นเป็นครั้งแรกของการเคลื่อนย้าย (spin transport) และการควบคุมสปิน (coherent manipulation) ของอิเล็กตรอนในซิลิคอน”

ในขณะที่อุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์ต่างๆ ทางอิเล็กทรอนิกปัจจุบันอาศัยหลักการพื้นฐานของการควบคุมประจุของอิเล็กตรอน นักวิจัยในทั้งสายวิชาการและสายอุตสาหกรรมได้พยายามมาเป็นเวลา 10 กว่าปีในการที่จะหาวิธีการทำให้ “สปิน” ของอิเล็กตรอนเป็นตัวนำพาข้อมูล ประมวลผลและกักเก็บข้อมูล โดยเป้าหมายหลักของงานวิจัยสาขา spintronics ก็คือ การที่จะทำยังไงที่จะสามารถควบคุมสปินของอิเล็กตรอนได้อย่างแม่นยำเช่นเดียวกับที่ทำกับการควบคุมประจุของอิเล็กตรอน

ซิลิคอนเป็นวัสดุที่ขับเคลื่อนอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิก และยังได้ถูกทำนายว่าจะเป็นวัสดุสำคัญในการสร้างอุปกรณ์ spintronics ในอนาคต แต่อย่างไรก็ดี ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใด สามารถแสดงให้เห็นได้แน่ชัดเลยว่า สามารถเคลื่อนย้ายสปินในวัสดุซิลิคอน ที่เรียกว่ากระบวนการ “spin transport” ได้เช่นเดียวกับการเคลื่อนย้ายประจุของอิเล็กตรอนในการประดิษฐ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิก

และเพื่อที่จะสาธิตการเคลื่อนย้ายสปินในซิลิคอนAppelbuam และ Huang ได้ประดิษฐ์ วัสดุกึ่งตัวนำที่ทำจากซิลิคอนขนาดเล็ก ด้วยเทคนิค silicon-wafer bonding ภายใต้สภาวะแรงดันต่ำยิ่งยวด ( ultra-high vacuum)

“อิเล็กตรอนมี โมเมนตัมเชิงมุมภายในตัวของมันเองที่เรียกว่า สปิน” Appelbaum กล่าว “และขั้นตอนแรกที่เราต้องทำในการสร้างอุปกรณ์ spintronics ก็คือ ทำการฉีด (inject) อิเล็กตรอนที่มีสปินทิศทางเดียวกันเยอะๆ เข้าไปในซิลิคอน หลังจากการฉีดอิเล็กตรอนที่มีทิศทางสปินเดียวกันเข้าไปปริมาณมากๆ อิเล็กตรอนในซิลิคอนจะถูกบังคับด้วยสนามแม่เหล็ก อันจะทำให้เกิดการ “ส่ายควง (precess)” ของสปิน (ลักษณะเหมือนกับที่เราเห็นการส่ายควงของ ไจโรสโคป เมื่อมันหมุนภายใต้แรงโน้มถ่วงโลก)”

“กระบวนการส่ายควง (precess) และ dephasing หรือ decay ล้วนเป็นแกนหลักของ วิธีการในการทำ spin transport งานวิจัยของเราเป็นผลงานชิ้นแรก ที่แสดงปรากฏการณ์ดังกล่าวในซิลิคอน” Appelbaum กล่าว และแสดงข้อคิดเห็นอีกว่า“มันเป็นประเด็นที่สำคัญ เพราะว่า ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิก แต่ยังไม่มีใครสามารถแสดงให้เห็นเลยว่า ความสามารถควบคุมสปินของสสารอื่นๆ กลับไม่สามารถทำได้ในวัสดุอย่างซิลิคอน”

“พวกเราหวังว่า เรากำลังทำสิ่งที่เหมือนกับที่พวกกลุ่มวิจัยที่ สถาบันวิจัย Bell Labs ทำให้กับวงการอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิก ในสมัยปี ค.ศ. 1948” (ในปี ค.ศ. 1948 เป็นปีที่สถาบันวิจัย Bell labs ได้ประกาศผลการคิดค้น “ทรานซิสเตอร์” อันเป็นการวางรากฐานให้กับโลกของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ในเวลาต่อมา)

งานของ รศ. ดร. Appelbaum ได้รับการสนับสนุนจาก US Office of Naval Research และจาก Microsystems Technology Office ของ Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ซึ่งเป็นองค์กรหลักของการวิจัยและพัฒนาสำหรับกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ


ข้อมูลจาก
- http://www.sciencedaily.com/releases/2007/05/070518172035.htm