ما يجري في الكمبيوتر في رأس (القراءة)

تُظهر تجارب الميونات عمليات مغناطيسية في رؤوس القراءة

آلان درو وإلفيزيو مورنزوني في تجربة PSI muon. © PSI
قراءة بصوت عال

ما حدث في رأس القراءة لمحرك كمبيوتر كان في السابق مفهوما جزئيا فقط. الآن ، تابع فريق دولي من الباحثين العمليات المغناطيسية الأولى باستخدام الميونات ، الجسيمات الأولية المغناطيسية. كما ذكرت في مجلة "Nature Materials" ، فإن ترتيب الإلكترون يدور في وسيط التخزين يلعب دورًا حاسمًا في فعالية رؤوس القراءة.

حقيقة أن أجهزة الكمبيوتر يمكن أن تخزن الكثير من البيانات ومشغلات MP3 أصبحت صغيرة للغاية في السنوات العشر الماضية ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى التأثير الذي يسميه الفيزيائيون المقاومة المغناطيسية العملاقة. بفضل هذا التأثير ، الذي حصل على جائزة نوبل للفيزياء في عام 2007 ، من الممكن إنتاج مكونات إلكترونية تكون مقاومتها الكهربائية حساسة للغاية للمجالات المغناطيسية الخارجية. إذا كنت تستخدم هذا التأثير في رؤوس القراءة المغناطيسية ، فيمكنك حزم البيانات المشفرة مغناطيسيًا بإحكام شديد وجعل محركات الأقراص الثابتة صغيرة جدًا. بدون هذا التأثير ، لن يكون من الممكن تخزين أكبر قدر ممكن من البيانات في جهاز بحجم نصف علبة سجائر على أكثر من 100 قرص مضغوط.

Spintronics - إلكترونيات مع تدور

"على عكس معظم المكونات الإلكترونية ، لا تستخدم رؤوس القراءة الشحنة الكهربائية للإلكترونات التي تحمل الكهرباء فحسب ، بل تدور أيضًا - الدوران الذاتي الذي يحول الإلكترونات إلى مغانط صغيرة. لذلك فإن رؤساء القراءة ينتمون إلى مجال الإلكترونيات المتنامية "، كما يوضح البادئ في المشروع البحثي آلان درو من جامعة فرايبورغ وجامعة كوين ماري في لندن. المصطلح التقني لهذا المكون هو Spin Valve ، والذي يمكن ترجمته باسم "صمام الدوران".

يتكون هذا الصمام من ثلاث طبقات على الأقل: طبقتان خارجيتان مغناطيسيتان وطبقة وسيطة غير مغنطيسية. يتم ممغنطة واحدة من الطبقات المغناطيسية في اتجاه واحد ثابت ، مغنطة من غيرها تتكيف مع المجال المغناطيسي الخارجي. عندما يتدفق التيار بين الطبقتين المغنطيسيتين ، فإنه يتعرض لمقاومة أقل عندما يتم ممغنطة كلتا الطبقتين بالتساوي لأن الطبقة الأولى تفرض اتجاهًا على يدور الإلكترون يمكنها الاحتفاظ بها في الطبقة الثانية.

إذا تم ممغنطة الطبقات بشكل مختلف ، فإن الإلكترونات ذات اتجاه الدوران "الخطأ" تصل إلى الطبقة الثانية. إذا استمروا في الدوران ، فإنهم بالكاد يمضون قدما. يعمل الدوران حول تكلفة الطاقة - كلاهما يظهر كمقاومة كهربائية إضافية. عرض

الجزيئات غير المستقرة تكشف المجالات المغناطيسية

ولكن هذا لا يعمل إلا طالما لم يكن هناك الكثير من الدورات تدور حول الطريق ، بحيث لا يصلون إلي بمحاذاة zuf lliger على الطبقة الثانية. أراد درو معرفة مدى أهمية هذا التأثير بالنسبة لجودة رؤوس القراءة وأجرى سلسلة من التجارب مع زملائه من معهد بول شيرير في فيلين ، سويسرا. لقد أرادوا ملاحظة عدد الإلكترونات التي تدور في طريقها عبر الطبقة الوسطى. في القيام بذلك ، استغلوا حقيقة أن يدور معًا يخلق مجالًا مغناطيسيًا يزداد قوة كلما تم ترتيبها بشكل موحد. كتحقيقات مصممة لقياس المجال المغناطيسي داخلها ، تستخدم الميونات جسيمات أولية غير مستقرة تشبه الإلكترونات ، لكنها أثقل كثيرًا.

إذا قمت بإحضار مثل هذا الميون إلى حقل مغناطيسي ، فإنه يبدأ في الدوران ، وكلما كان الحقل أقوى. بعد بضعة ملايين من الثانية ، يتفكك الميون في عدة جسيمات ، واحدة منها تطير بشكل تفضيلي في اتجاه دوران الميون ويمكن اكتشافها في كاشف. إذا لاحظ المرء اتجاه الانحلال هذا لملايين هذه الانحطاطات ، فيمكن للمرء تحديد سرعة دوران الميونات ومن هذا المجال المغناطيسي المحلي.

بالنسبة لتجاربهم ، قام الباحثون ببناء رأس قراءة خاص بطبقة تفاعلية عضوية تتكون من مادة بلاستيكية موصلة. "مثل هذه اللدائن مرنة وسهلة الاستخدام ، بحيث يمكنها إحداث ثورة في الإلكترونيات في المستقبل." ، يوضح Drew. بالإضافة إلى ذلك ، جعلوا تجربتنا ممكنة ، لأن تدور يدور في مثل هذا الموصل العضوي أبطأ بكثير من في التقليدية ، لذلك كان لدينا ما يكفي من الوقت لمراقبة المجال المغناطيسي.

بطيئة بما فيه الكفاية فقط في سويسرا

ما يبدو بسيطا من حيث المبدأ يتطلب جهدا تقنيا هائلا. لا يمكن إجراء مثل هذه التجارب إلا في PSI ، لأنه فقط يمكننا إنشاء الميونات البطيئة للغاية التي تتعثر في الطبقات الرفيعة لرأس القراءة لدينا. يوضح الفيزيائي إلفزيو مورنزوني ، الذي يدير منشأة الميون في معهد بول شيرير ، أن التجاوب في التجارب الأخرى سريع للغاية لدرجة أنها سوف تطير ببساطة من خلال العينة الخاصة بنا.

ولكن في PSI ، أيضًا ، تكون الميونات سريعة جدًا في البداية. يتم إنتاجها في مسرّع البروتون بمعهد بول شيرير ، حيث يتم تسريع حزمة من البروتونات في البداية إلى ثلاثة أرباع سرعة الضوء ثم تصطدم بـ "صفيحة كربون". هذا يخلق جزيئات تتفكك في النهاية في الميونات. يتم فرملة الميونات أولاً في عملية فريدة من نوعها في طبقة رقيقة من الغاز الخامل المجمد ، ثم تسارع مرة أخرى إلى السرعة المنخفضة المطلوبة. عن طريق تغيير هذه السرعة ، يمكن للمرء حتى تحديد العمق الذي يجب أن تلتصق به الميونات في العينة ، وبالتالي تحديد الحقول المغناطيسية في أماكن مختلفة.

النتيجة: اضطراب مؤلم

لقد أظهرت هذه التجارب ، في الواقع ، أن الدرجة التي تفقد بها الإلكترونات محاذاة دورانها تحدد أيضًا مدى عمل الرأس ، أي مقدار المقاومة الكهربائية التي تعتمد على المجال المغناطيسي. قبل كل شيء ، ومع ذلك ، أصبح من الواضح أن تجارب muon يمكن أن تساعد في الواقع على فهم العمليات في المكونات spintronic. ربما ، لن تجعل الصناعة أبدًا إحدى الطرق القياسية لفحص المكونات. يشدد مورنزوني على أنه "من المؤكد أنه سيساعد على فهم الأسئلة الأساسية ومن ثم إعطاء توجيهات الصناعة حول كيفية زيادة تطوير المكونات".

(معهد بول شيرير ، 25.11.2008 - NPO)