Anormal Hall torkunun keşfi, enerji verimliliğini yüksek oranda arttırabilecek teknolojilere kapı aralıyor.
Veri teknolojileriyle dolu Dünya, daha fazla kapasite, verimlilik ve hesaplama gücüne ihtiyaç duyuyor. Bu ihtiyacı karşılamak için fizikçiler, elektronların hem yükünü hem de spin yönelimini kullanan spintronik alanında yenilikçi çalışmalar yürütüyor. Spintronik cihazlar, elektron spinine bir değer atayarak (örneğin, yukarı=0 ve aşağı=1), ultra hızlı ve verimli platformlar sunuyor.
Spintronik teknolojisinin geliştirilmesi için, malzemelerin kuantum özelliklerinin anlaşılması büyük öneme sahip. Bu özelliklerden biri olan spin-torku, manyetizasyonun elektriksel manipülasyonu için kullanılıyor. Bu da depolama ve işlem teknolojilerinin yeni nesilleri için önem taşıyor.
15 Ocak 2025’te Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanan yeni bir makaleye göre Utah Üniversitesi ve California Üniversitesi’nden bir araya gelen araştırmacılar, yeni bir spin-yörünge torku türü keşfetti. Bu çalışma, elektrik akımları aracılığıyla spin ve manyetizasyonu manipüle etmenin yeni bir yolunu ortaya koyuyor. Araştırmacılar bu fenomene “anormal Hall torku” adını verdi. Bu keşif, nöromorfik hesaplama gibi insan beyni ağlarını taklit eden yeni tür hesaplama sistemleri için potansiyel uygulamalar sunuyor.
Elektronlar, tıpkı Dünya gibi, yukarı (“north”) veya aşağı (“south”) yönelimli dipolar manyetik alanlara sahip. Bazı malzemelerde, elektrik akımı elektronları spin yönelimlerine göre ayrılıyor. Spin yönelimi dağılımı, malzemenin özelliklerini, örneğin manyetik alanının yönünü etkiliyor.
Anormal Hall etkisi
1881 yılında Edwin Hall, bir elektrik akımının manyetik bir malzemeden geçtiğinde, elektronların asimetrik bir şekilde dağıldığını keşfetti. Bu olaya “Hall etkisi” adı veriliyor. Hall etkisi, elektrik akımına dik bir yönde ek bir akımın oluşmasına neden oluyor.
Anormal Hall etkisi ise, bu olayın bir adım ötesine geçerek elektronların spin özelliklerini de etkilediğini gösteriyor. Elektrik akımı, elektronların spinlerini düzenleyebilir ve bu düzenleme, manyetik bir malzemenin manyetizasyonunu (manyetik özelliklerini) değiştirebiliyor. Anormal Hall torku, bu spin düzenlemesi sırasında oluşan kuvvet olarak biliniyor.
Geleneksel spintronik cihazlar genellikle iki ferromanyetik malzeme arasında sıkışmış bir manyetik olmayan katmandan oluşuyor. Spin-tork MRAM’lar (manyetik özellikleri kullanarak veri depolayan bir bellek türü), bir manyetik tabakadan diğerine spin-polarize akım enjekte ederek veriyi depoluyor ve manipüle ediyor.
Bu da ikinci manyetik tabakanın spin yönelimini değiştiriyor. Yukarı veya aşağı spin yönelimi, ikili veri depolama için 0 ve 1’e eşlenebiliyor. Araştırmacılar, cihazlarında spin yöneliminin ferromanyetik bir iletkenden bitişik manyetik olmayan bir malzemeye aktarılabileceğini göstererek, ikinci bir ferromanyetik katmana olan ihtiyacı ortadan kaldırdr. Aslında, anormal Hall torku etkisinden yararlanan ilk spintronik prototipi inşa ettiler.
Bu cihaz, bir nöronun işlevselliğini taklit edebilen, ancak çok daha küçük ve daha yüksek hızlarda çalışan bir spin-tork osilatörü (bir sistemin sürekli olarak periyodik dalgalanmalar üretmesini sağlayan elektronik devre) olarak biliniyor. Bir sonraki adım, bu cihazları daha büyük bir ağda birbirine bağlayarak, görüntü tanıma gibi nöromorfik görevleri yerine getirme potansiyellerini keşfetmek olabilir.
Bu keşif, spintronik cihazların nöromorfik hesaplama uygulamalarında kullanımını daha da mümkün kılabilir. Nöromorfik hesaplama, insan beyninin yapısı ve işlevinden esinlenen bir hesaplama yaklaşımı şeklinde tanımlanıyor. Bu sistemler, yapay sinir ağları ve öğrenme mekanizmalarını kullanarak, bilgisayarların daha hızlı ve daha az enerji tüketerek işlem yapmasını sağlayabilir.
Kaynak: Nature
