"עבודות מנוף" של אטומים בודדים בשירות הפיסיקה של חצאי-מוליכים מגנטיים

צוות מחקר ממספר אוניברסיטאות בארצות הברית [1] פיתח שיטה להכנסה והוצאה של אטומים בודדים של מנגן (Mn) אל-תוך גביש של חומר מוליך למחצה. באמצאות קצהו החד ביותר (ברוחב מספר אטומים בודדים) של מכשיר STM (Scanning Tunneling Microscope) - מיקרוסקופ סריקה-מנהור, החוקרים הצליחו לסדר את אטומי המנגן כרצונם על פני הגביש (ראו התהליך בתמונה 1, ותצלומים בתמונות 2b-2d). בנוסף הם השתמשו בקצה של המיקרוסקופ גם כדי לבצע מדידות מוליכות, מהן ניתן להסיק על הכוחות הפועלים בין אטומי המנגן. אטומים אלו מתנהגים כל אחד כמגנט קטן, והכוחות ביניהם תלויים בסידור שלהם על פני הגביש.

תיאור סכמטי של  הכנסת האילוח

מוליכים למחצה הינם החומר השימושי ביותר כיום בתעשיית האלקטרוניקה. בין החומרים הפופולאריים נמנים סיליקון (Si) וגליום-ארסניד ((GaAs, הנוחים ביותר להנדסה של מיקרומעבדים למיניהם והתקנים אלקטרו-אופטיים. התכונה החשובה שלהם הינה היכולת לשלוט בקלות על המוליכות החשמלית באזורים מסויימים של החומר על-ידי הוספה של ריכוז קטן של מזהמים, שהינם אטומים זרים שאינם מהווים חלק מהגביש המקורי.

בשנים האחרונות מתברר כי הוספת אטומים מזהמים בעלי תכונות מגנטיות (ראו תצלום של הגביש עם המזהמים בתמונה 2a), כגון מנגן (Mn), לתוך החומר המוליך למחצה, עשויים אף בריכוז קטן (1.5%) להפוך את החומר לפרומגנט (Ferromagnet) - חומר אשר בטמפרטורה נמוכה מספיק מתמגנט באופן ספונטאני. אפשרות זו קוסמת למדענים בשל השימושים הרבים שניתן יהיה למצוא לחומרים כאלו. למשל, על אותו מעגל חשמלי של מיקרו-מעבד ניתן יהיה ליצור אזורים "מגנטיים" אשר יהוו רכיבי זיכרון, בדומה לכונני הדיסק הקשיח המוכרים לנו, אשר בנויים כיום על בסיס חומרים מגנטיים אחרים. הקושי העיקרי לשימוש כיום בחומרים אלו הינו טמפרטורת המגנוט הנמוכה שלהם (בסביבות 120C-). העלאת ריכוז המזהמים מעלה את טמפרטורת המגנוט, אולם גורמת במקביל לפגיעה במבנה הגבישי של המוליך למחצה. המחקר החדש , בנוסף לשיטה שפותחה בו, מאפשר למדענים להסיק מהם סידורי האטומים שבהם יהיו הכוחות ביניהם חזקים יותר, וכתוצאה מכך הגביש כולו יתמגנט בטמפרטורה גבוהה יותר.
   

בבליוגרפיה וקריאה נוספת

(1) המחקר שתואר בכתבה:

Dale Kitchen, Anthony Richardella, Jian-Ming Tang, Michael E. Flatte & Ali Yazdani,

Atom-by-atom substitution of Mn in GaAs and visualization of their hole-mediated interactions, Nature 442, p. 436 (July 2006).

(2) ובנוסף:

Nitin Samarth, Semiconductor physics: Magnetic manipulations, Nature 442, 359-360 (July 2006)

מאת: ערן גנוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.