วางแม่เหล็กทีละอะตอม: ก้าวสำคัญสู่ Spintronics

ถือเป็นก้าวสำคัญยิ่งในการพัฒนาไปสู่ชิปคอมพิวเตอร์ที่ทั้งคำนวณและเก็บข้อมูลได้ในตัวเดียวกัน เมื่อทีมนักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันพบเทคนิกในการวาง อะตอมแม่เหล็ก แทนที่อะตอมในผลึกของสารกึ่งตัวนำแบบ ทีละตัว ซึ่งทำให้มันมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก
     นับว่าเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดการกับโครงสร้างระดับอะตอมของสารกึ่งตัวนำได้ อาลี ยาซดานี (Ali Yazdani) ผู้นำของทีมวิจัยกล่าวว่า “ความสามารถในการควบคุมจัดการกับสารกึ่งตัวนำได้จะนำไปสู่การปฏิวัติเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ครั้งใหญ่” สิ่งที่ยาซดานีกล่าวถึงก็คือ การสร้างชิปคอมพิวเตอร์ที่ล้ำสมัยซึ่งสามารถนำคุณสมบัติสปิน (spin) ของอิเล็กตรอนมาใช้ นอกเหนือจากคุณสมบัติการไหลของกระแสอิเล็กตรอน (หรือกระแสไฟฟ้านั่นเอง) ที่ใช้กันอยู่แล้ว อันจะนำไปสู่เทคโนโลยีที่เรียกว่า สปินทรอนิกส์ (spintronics) ในที่สุด
     “อิเล็กตรอนประพฤติตัวเหมือนมันมีแม่เหล็กเล็ก ๆ อยู่รอบตัวมัน คุณสมบัติของอิเล็กตรอนนี้ ซึ่งเรียกว่า สปิน ยังไม่เคยถูกนำไปใช้ในชิปคอมพิวเตอร์เลยตราบจนปัจจุบัน” กล่าวโดย Michael Flatte ผู้คร่ำหวอดกับการวิจัยสารกึ่งตัวนำแม่เหล็กมานาน จากมหาวิทยาลัยไอโอวา
     สปินทรอนิกส์ (“spintronics” เป็นคำเรียกใหม่ของชื่อเดิมที่ว่า “spin-based electronics”) หรือรู้จักกันในอีกชื่อว่า magnetoelectronics เป็นเทคโนโลยีที่ผุดขึ้นมาได้เกือบสองทศวรรษแล้ว กล่าวโดยคร่าว ๆ คือเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ทางควอนตัมของสปินของอิเล็กตรอน โดยเฉพาะการตอบสนองต่อทิศทางของแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะแทนสัญญาณ ‘0’ หรือ ‘1’ ในแต่ละบิตของการส่งผ่านหรือกักเก็บข้อมูล อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของการนำคุณสมบัติของสปินมาใช้ ยังมีวิธีการที่หลากหลายและแยบยลอีกมากมายที่นักวิทยาศาสตร์เสนอ และอุปกรณ์ที่ส่งผ่านกระแสอิเล็กตรอนซึ่งสปินของแต่ละอิเล็กตรอนมีทิศทางเดียวกันหมด (หรือเรียกว่า spin-polarized electron) จำเป็นจะต้องถูกพัฒนาต่อไปอีกมาก และสารกึ่งตัวนำแม่เหล็กก็เป็นวัสดุที่เข้าใกล้สู่สิ่งที่ต้องการที่สุดในขณะนี้
     ด้วยเทคโนโลยีสปินทรอนิกส์ การประมวลผลของข้อมูล (data manipulation) และการเก็บข้อมูลระยะยาว (long-term storage) สามารถทำงานได้ในชิปคอมพิวเตอร์ตัวเดียว แทนที่จะต้องแยกกันเป็นส่วน CPU กับส่วน hard drive อย่างในปัจจุบัน นอกจากนี้ การประมวลผลของข้อมูลก็จะเร็วขึ้นและใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยลงด้วย คอมพิวเตอร์แบบนั้นจะมีขนาดเล็กลงและกินไฟน้อยลง ยิ่งไปกว่านั้น ‘quantum computer’ ซึ่งใช้ปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่พิสดารในระดับอะตอมในการคำนวณประมวลผลข้อมูลก็อาจจะมีความเป็นไปได้ด้วย

หวังพึ่งโชค
     Michael Flatte เล่าว่า เมื่อราว 20 ปีก่อน นักวิจัยของบริษัท IBM ค้นพบว่าสารกึ่งตัวนำธรรมดาอย่างอินเดียมอาร์เซไนด์ (indium arsenide) ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กได้ที่อุณหภูมิต่ำ โดยการใส่ อะตอมแม่เหล็ก (magnetic atom) เพียงจำนวนเล็กน้อย อะตอมแม่เหล็กที่พวกเขาเสริมเข้าไปคือ แมงกานีส (manganese) และต่อมาสารกึ่งตัวนำแม่เหล็ก (หรือ magnetic semiconductors) อื่น ๆ อีกหลายชนิดก็ถูกค้นพบ แกลเลียมอาร์เซไนด์ (gallium arsenide) สารกึ่งตัวนำชนิดที่มักใช้กับอุปกรณ์อย่างโทรศัพท์มือถือ กลายเป็นแม่เหล็กได้เมื่อใส่ manganese เข้าไปเช่นเดียวกัน แต่ต้องอยู่ที่อุณหภูมิ – 88 องศาเซลเซียส (ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำถึง 88 องศา) อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ใช้งานได้จริงเป็นชิปคอมพิวเตอร์ในอนาคต สารกึ่งตัวนำแม่เหล็กอย่าง gallium manganese arsenide จะต้องมีสภาวะเป็นแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงขึ้นกว่าที่เป็นอยู่ และมีความบริสุทธิ์มากขึ้น (มีสารอื่นเจือปนในโครงสร้างผลึกน้อยลง) ซึ่งจะทำให้ความต้านทานในการไหลของกระแสไฟฟ้าลดลง
     Michael Flatte และ Jian-Ming Tang แห่งมหาวิทยาลัยไอโอวา ได้ทำนายไว้ว่าอันตรกิริยาทางแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในสารกึ่งตัวนำแม่เหล็กจะมีความแรงหรืออ่อน ปัจจัยสำคัญคือตำแหน่งในโครงสร้างผลึกของสารกึ่งตัวนำที่อะตอมแม่เหล็กเข้าไปอยู่ การจัดเรียงตัวบางแบบจะทำให้อันตรกิริยาทางแม่เหล็กมีความรุนแรงมาก ในขณะที่บางแบบ อันตรกิริยาที่เกิดขึ้นอ่อนมาก “พวกเราคิดว่ามันคงจะต้องอาศัยโชคเป็นอย่างมากในการจะเห็นปรากฏการณ์เหล่านี้ โดยปกติเมื่ออะตอม manganese ตัวหนึ่งถูกใส่เข้าไปใน gallium arsenide มันมีโอกาสเข้าไปอยู่ในตำแหน่งต่าง ๆ กันแบบสุ่ม ในการที่จะเห็นอะตอม manganese สองอะตอมอยู่ห่างกันไม่เกินหนึ่งนาโนเมตร (หนึ่งในสิบล้านของเซนติเมตร) แต่ห่างจากอะตอม manganese อื่น ๆ ทั้งหมด ซึ่งในทางทฤษฎีแล้ว มีโอกาสน้อยมาก ๆ” Flatte กล่าว

วางทีละอะตอม
     ทีมวิจัยของยาซดานีได้ใช้วิธีการที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง เพื่อจะได้พบปรากฏการณ์ของอันตรกิริยาทางแม่เหล็ก แทนที่จะต้องหวังพึ่งโชคในการทำให้พวกเขาพบการเรียงตัวของอะตอมตามแบบที่ต้องการ (ตามที่ทำนายไว้) พวกเขาสามารถวางอะตอม manganese ทีละอะตอม ลงไปในส่วนของผลึก gallium arsenide ที่บริสุทธิ์ คือไม่มีอะตอมของธาตุอื่นเจือปน
     “โดยใช้หัววัดที่เป็นปลายแหลมเล็ก ๆ ของ scanning tunneling microscope (STM) พวกเราสามารถเอาอะตอมตัวหนึ่งออกจากสารกึ่งตัวนำ และแทนที่ด้วยอีกอะตอมซึ่งทำให้สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก” กล่าวโดย ยาซดานี “ความสามารถในการจัดการกับสารกึ่งตัวนำที่ระดับอะตอมได้นี้เป็นดั่ง ‘จอกศักดิ์สิทธิ์’ ของวงการอิเล็กทรอนิกส์เลยทีเดียว และเทคนิกนี้อาจจะเป็นหนทางในการวิจัยพัฒนาสารกึ่งตัวนำที่จำเป็นอย่างยิ่งในอนาคต” ยาซดานี กล่าว
     scanning tunneling microscope หรือ STM เป็นกล้องจุลทรรศน์ หรือ microscope ที่มีหลักการทำงานแตกต่างจากกล้องจุลทรรศน์ซึ่งใช้หลักการทางทัศนศาสตร์ที่เราเคยใช้ตรวจดูจุลชีพในห้องทดลองชีววิทยาโดยสิ้นเชิง STM ใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัม ในการสแกนตรวจดูพื้นผิวของวัสดุที่ทำการศึกษา หัววัดที่เรียวแหลมขนาดอะตอม (นิยมเรียกกันว่า tip) ของ STM จะเคลื่อนไปเหนือพื้นผิว ขณะเดียวกันความต่างศักย์จะถูกให้เข้าไปให้มีขึ้นระหว่างหัววัด (tip) กับพื้นผิว เนื่องด้วยความต่างศักย์ อิเล็กตรอนจะ “tunnel” (ชื่อเรียกของกระบวนการทางควอนตัมแบบหนึ่งที่อนุภาคทางควอนตัมสามารถเคลื่อนที่ลอดทะลุผ่านกำแพงศักย์ได้) หรือถ้าพูดให้ง่าย ก็คือกระโดดข้ามระหว่าง tip กับพื้นผิววัสดุ เป็นผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าอ่อน ๆ โดยขนาดของกระแสไฟฟ้าจะแปรเปลี่ยนไปตามระยะระหว่าง tip กับพื้นผิว (กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เมื่อระยะน้อยลง) ด้วยหลักการซึ่งในที่นี้กล่าวโดยคร่าว ๆ ทำให้เราสามารถวัดความสูงต่ำของพื้นผิวที่ตำแหน่งต่าง ๆ แล้วนำไปประมวลเป็นภาพโครงสร้างพื้นผิวที่มีความละเอียดถึงระดับอะตอม อนึ่ง กระแสไฟฟ้าที่เกิดระหว่าง tip กับพื้นผิว จะเกิดขึ้นได้กับวัสดุที่มีความนำไฟฟ้า ดังนั้นวัสดุที่มีความเป็นฉนวนไฟฟ้าจึงไม่สามารถสแกนได้ด้วย STM
     เดล คิทเชน (Dale Kitchen) นักวิจัยในแล็บของ ยาซดานี คิดวิธีไขปมปัญหานี้ออก ขณะทำงานกับเครื่อง STM นี้ มันมีหัวตรวจวัดปลายแหลมซึ่งสแกนผ่านพื้นผิวของวัสดุ เพื่อตรวจวัดการแปรเปลี่ยนไปของสนามไฟฟ้าขนาดเล็ก ๆ ที่บริเวณต่าง ๆ อย่างไรก็ตาม เขาพบว่าหัวปลายแหลมนี้สามารถใช้ในการทำให้อะตอมเดี่ยว gallium หลุดออกมาจากพื้นผิวได้ด้วย และยังใช้ในการเอาอะตอม manganese ซึ่งวางไว้อยู่แล้วใกล้ ๆ เข้าไปแทนที่
     ด้วยเทคนิกใหม่ของพวกเขา ทีมงานสามารถพบการเรียงตัวของอะตอม manganese ที่ไม่ได้เป็นแบบสุ่มอย่างเช่นเคย ซึ่งทำให้ได้คุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ต้องการ อันถือเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนาอิเลกทรอนิกส์แบบที่อาศัยกลไกของสปิน ข้อมูลการทดลองสอดคล้องกับงานทางทฤษฎีก่อนหน้านี้ที่แสดงโดย Michel Flatte และกลุ่มของเขาที่มหาวิทยาลัยไอโอวา ซึ่งทำนายถึงการเรียงตัวของอะตอมแบบที่จะทำให้มีความเป็นแม่เหล็กได้สูงสุดในการทดลอง
เมื่อวิธีการนี้เข้าไปใช้ในอุตสาหกรรม น่าจะทำให้เกิดความก้าวหน้าของชิปคอมพิวเตอร์ที่ใช้ทั้งประจุไฟฟ้าและสปินของอิเล็กตรอนในการทำงาน
     “ชิปอาจจะยังต้องการการพัฒนาความสามารถใหม่ ๆ อีกมาก กว่าจะทำให้เทคโนโลยีสปินทรอนิกส์สมบูรณ์” ยาซดานีกล่าว “สิ่งหนึ่งที่เราอาจจะทำได้ก็คือการทำให้ชิปสามารถจัดการคำนวณข้อมูล และเก็บข้อมูล ได้ในตัวเดียว ซึ่งปัจจุบันต้องการสองส่วนของคอมพิวเตอร์ทำงานด้วยกัน”
     ยาซดานีเตือนว่า เทคนิกของทีมงานของเขาจะยังไม่ทำให้เกิดเทคโนโลยีชิปคอมพิวเตอร์ได้ใหม่ในทันที แต่มันจะมีประโยชน์ในการวิจัยขั้นพื้นฐาน เป็นแบบอย่างการทดลองในการค้นหาคุณสมบัติทางแม่เหล็กในสารกึ่งตัวนำชนิดอื่น ๆ ต่อไป
     “ถึงตอนนี้ พวกเราจะสามารถตั้งคำถามเกี่ยวกับอะตอมแม่เหล็กเหล่านี้ และก็หาคำตอบได้” เขากล่าว “ตัวอย่างเช่น คำถามที่ว่า มันจะมีผลต่อการทำงานของสารกึ่งตัวนำอย่างไร เมื่อคุณเปลี่ยนทิศทางแม่เหล็กของพวกมัน หรือเมื่อคุณเปลี่ยนระยะทางระหว่างอะตอมแม่เหล็กเหล่านี้ คำตอบของคำถามเหล่านี้จะทำให้พวกเราสามารถเชื่อมคุณสมบัติของกระแสไฟฟ้าและสปินลงไปในสารกึ่งตัวนำแบบใหม่ และนั่นเป็นเป้าหมายอย่างหนึ่งของคนในวงการสารกึ่งตัวนำมานานหลายปี” กล่าวโดยยาซดานี