Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Спинтроника

Содержание.

Введение

Спинтроника.
Явления спинтроники.
Приборы спинтроники.
Новые идей. Перспективные приборы.
Литература

Введение

Вторую половину XX века без преувеличения можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями микропроцессоров, микроэлектроника в основном использует только одно свойство электрона – его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику – собственный угловой момент, или спин (и связанный с ним магнитный момент), – которая вплоть до недавнего времени не пользовалась особым вниманием разработчиков и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на авансцену выходит новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics – от spin transport electronics или spin-based electronics).

Спин (от англ. spin – верчение, кружение) можно было бы представить как результат вращения частицы вокруг своей оси, однако, несмотря на наглядность такого представления и очевидный смысл самого термина, классическая физика не может объяснить появление спина в результате вращательного движения частиц в трехмерном пространстве.

Cпинтроника – устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics). Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые – магнитные полупроводники, вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами.

Целью работы является рассмотрение физических принципов нового направления в микроэлектронике – спинтронике и основных типов приборов на основе спиновых эффектов.

Спинтроника.

В настоящее время наука – спинтроника проходит процесс формирования и, как любая наука в этот период, она не имеет (пока) четких определений и моделей.

Термин спинтроника (spintronics – англ.) появился впервые в 1998 г. в совместном пресс релизе лабораторий Белла и Йельского университета, в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. В Агентстве перспективных исследований министерства обороны США спинтронику определяют как спинтранспортную электронику. Согласно другим определениям спинтроника – это наука, для которой принципиальное значение имеет взаимосогласованное поведение заряда и спина электрона; «это электроника на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и спин зависимые эффекты»; «это наука об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях»; «это новая ветвь микроэлектроники, где спин и заряд электрона представляют собой активный элемент для хранения и передачи информации, интегральных и функциональных микросхем, многофункциональных магнитооптоэлектронных устройств».

Спинтроника развивается по следующим основным направлениям:

1) изготовление магнитных наноструктур, включая новые материалы, тонкие пленки и гетероструктуры, а также многофункциональные материалы;

2) магнетизм и спиновый контроль мaгнитных наноструктур, теории ферромагнитного обмена в разбавленных магнитных полупроводниках, туннельных эффектов и спиновой инжекции, транспорта и детектирования магнетизма;

3) магнитоэлектроника и приборы на основе эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) [4,5], туннельные устройства, полупроводниковые гетероструктуры для инжекции спинов, их транспорт и детектирование, импульсный ферромагнетизм;

4) магнитооптические свойства магнитных полупроводниковых гетероструктур на постоянном токе и с временным разрешением, оптическая спиновая инжекция и детектирование, оптически индуцированный ферромагнетизм, сверхбыстрые магнитооптические переключатели; передача квантовой информации;

5) распознавание образов; получение изображений и метрология, включая магнитное распознавание образов и аномальный эффект Холла;

6) приборостроение и прикладные исследования.

2. Явления спинтроники.

Диполь-дипольное или спин-спиновое взаимодействие — это прямое взаимодействие спиновых магнитных моментов электронов, пропорциональное произведению магнитных моментов и обратно пропорциональное кубу расстояния между ними. С энергией спин-спинового взаимодействия сравнима по порядку величины малая энергия взаимодействия спинового магнитного момента электрона с полем анизотропии. Но именно слабость спин-спинового взаимодействия играет большую роль в полезных свойствах некоторых магнитных полупроводников. В разбавленных магнитных полупроводниках роль прямого спин-спинового взаимодействия ослабевает настолько, что их намагниченность можно легко изменять экспериментально достижимыми внешними магнитными полями. Сравнительно слабые магнитные поля влияют на характеристики разбавленных магнитных полупроводников сильнее, чем на параметры традиционных магнитных полупроводников.

Спин-орбитальное взаимодействие — это взаимодействие спинового магнитного момента электрона с магнитным моментом его собственного орбитального движения. Причина спин-орбитального взаимодействия в том, что электрон, движущийся со скоростью v в электрическом поле напряженности E , «видит» магнитное поле с магнитной индукцией. Вследствие спин-орбитального взаимодействия на спин движущегося электрона или дырки могут действовать и статическое, и переменное внешние электрические поля.

В полупроводниках спин-орбитальное взаимодействие на несколько порядков сильнее, чем в атомах или металлах, поэтому оно может проявляться даже в диапазоне тепловых скоростей электронов. Спин-орбитальное взаимодействие «связывает» спиновые и пространственные координаты электрона и ведет к появлению эффективного внутрикристаллического магнитного поля (поле магнитной анизотропии), так как орбитальное движение частицы связано с кристаллографическими направлениями.

Обменное взаимодействие – это часть кулоновского взаимодействия между электронами, зависящая от перестановки двух электронов в силу принципа исключения Паули: . Взаимная ориентация спинов и, в конечном счете, ферромагнетизм определяются обменным взаимодействием атомов примесного металла Mn⁺, которое, однако, не определяет направление суммарного спина относительно кристаллографических осей. Вырождение суммарной намагниченности кристалла относительно кристаллографических осей частично снимается спин-орбитальным взаимодействием. Кинетическая энергия электронов в сочетании с принципом Паули стремится разрушить спиновый порядок; температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства, называется температурой Кюри.

Косвенные спиновые взаимодействия. В кристалле прямое спиновое взаимодействие удаленных атомных остовов (электронных конфигураций), например примесных магнитных ионов в полупроводнике, ничтожно. Спиновое взаимодействие между подобными ионами осуществляется посредством возмущения состояний электронов на промежуточных атомах, общих для этих ионов. Если обобществленные электроны находятся, например, на немагнитных анионах (F^–, O^2–, S^2–, Se^2– и др.), участвуя в химической связи между одинаковыми магнитными ионами M (типа М³⁺—An—M³⁺ и М⁴⁺—An—М⁴⁺ в перовскитах LaMO₃ и СaMO₃ или Сr³⁺—F–—Cr³⁺ в CrF₃), то возникает перекрытие орбиталей электронов, локализованных на магнитных ионах. В этом случае возможен перенос электрона от одного иона на другой с кинетической энергией t. Такое косвенное обменное взаимодействие называют (кинетическим) сверхобменом, или суперобменом по Андерсону.

Сверхтонкое взаимодействие электронных и ядерных спинов имеет, как и спин-орбитальное взаимодействие, релятивистскую природу. Для полупроводников оно предоставляет дополнительную, по сравнению с металлами, возможность управлять спином электрона не только внешним магнитным полем, но и полем ядер атомов, находящихся в решетке полупроводника.

. В связи с важностью СТВ электронных спинов с ядерными можно выделить в отдельную ветвь ядерную спинтронику. Вместо электронного спина можно использовать спин атомных ядер. В принципе можно создать устройство, в котором свет переносит информацию к ядрам через электроны. Такая ядерная память будет на много порядков плотнее и быстрее, чем традиционная запись информации на полупроводниках. Возможно объединение электроники, фотоники и магнетизма в спиновую фотонику для создания приборов, работающих на частотах порядка терагерц.

Приборы спинтроники.

Начало новой электроники, базирующейся на физических эффектах, обусловленных спином, относят к 1988 г., когда было открыто явление гигантской магниторезистивности (Giant Magneto Resistance – GMR). GMR наблюдается в искусственных тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные поля в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антипараллельны ном направлении.

Привлекательной чертой многих устройств, создаваемых на основе спин-зависимых свойств материалов, является их сходство с классическими вентилями, диодами, транзисторами и др., используемыми в микроэлектронных схемах. Принцип действия новых приборов легко понять, исходя из аналогии перехода «спин вверх—спин вниз» для материалов с разной поляризацией электронных спинов с обычным p–n переходом для полупроводников с p- и n-типами проводимости. Имеется также возможность создания комбинированных полупроводниковых ферромагнитных устройств с использованием достижений микросхемотехники. Рассмотрим подробнее эффекты и приборы на основе спинтроники.

Рисунок 1. Структура спинового клапана

Спиновый диод

В основе устройств, использующих GMR, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 1. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", другими словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" – его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5 – 10 % выше, чем при параллельных.

Рисунок 2. Магнитный туннельный переход

Еще один тип спинового клапана можно построить, используя явление магнитного туннельного перехода (Magnetic Tunnel Junction – MTJ). Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора, обычно им служит окись алюминия (рис. 2). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20 – 40%.

Спиновый транзистор Датта-Даса

Практически в любой статье по устройствам спинтроники в качестве будущего спинтронного прибора упоминается так называемый транзистор Датта–Даса – баллистический (без рассеяния) полевой транзистор. В отличие от обычного транзистора эмиттер в нем – источник спин-поляризованных электронов, а коллектор – спиновый фильтр; в зависимости от напряжения на базе ток может быть включен или выключен. Под напряжением эмиттер инжектирует электроны с фиксированным (ориентированным) спином, который прецессирует в течение времени пролета электрона к коллектору. Прецессия спина возникает благодаря спин-орбитальному взаимодействию и приложенному напряжению, которое для движущегося электрона трансформируется в эффективное магнитное поле (эффект Бычкова–Рашбы [7]). Так как магнитный коллектор из всех подлетающих электронов с прецессирующим спином отбирает электроны с определенной спиновой ориентацией, то электрический ток оказывается осциллирующей функцией приложенного к схеме напряжения. Предложенное устройство было названо электронным аналогом электрооптического модулятора. Можно также представить и различные усовершенствования спинового транзистора, связанные с взаимной ориентацией векторов намагниченности эмиттера и коллектора. Однако обычное спин-независимое рассеяние электронов приводит в транзисторе к перемешиванию спиновых состояний вследствие спин-орбитального взаимодействия. Таким образом, спиновый транзистор может успешно работать только в баллистическом режиме, но в таком случае теряются его преимущества перед обычным баллистическим транзистором.

Рисунок 3. Спиновый полевой транзистор

Спиновый транзистор «усовершенствован» с учетом так называемой поправки Дрессельхауса к спин-орбитальному взаимодействию для трехмерных систем с кристаллическими решетками, асимметричными относительно инверсии пространственных координат.

В этом случае когерентный перенос носителей между связанными каналами создает дополнительную спиновую прецессию и при одинаковых константах Рашбы и Дрессельхауса в спин-орбитальном взаимодействии прекращается влияние рассеяния на спин, так что спиновый транзистор может работать даже в небаллистическом режиме. Хотя создание спиновых транзисторов сталкивается с рядом трудностей, таких как наличие магнитных полей рассеяния и низкая эффективность спиновой инжекции, результаты выполненных в последнее время экспериментов указывают на возможность преодоления этих трудностей при использовании новых РМП.

Явления в полупроводниках традиционно описывались с квантово-механических позиций. Пришло время и для специальной теории относительности, поскольку в 1990 г. двое американских ученых, Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das), рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора (spin Field-Effect Transistor spin FET), основанного на релятивистском эффекте. В обычном полевом транзисторе напряжение, прикладываемое к затвору, управляет величиной тока между истоком и стоком. В релятивистском полевом транзисторе истоком и стоком должны служить ферромагнетики с параллельно ориентированными спинами электронов, соединенные узким полупроводниковым каналом (рис. 3). Спины инжектируемых в исток электронов устанавливаются параллельно магнитным полям истока и стока. Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1 % от скорости света в вакууме. Величина тока регулируется посредством приложенного к затвору напряжения. Фокус состоит в следующем. Если перейти в неподвижную систему отсчета, связанную с электроном, то, согласно специальной теории относительности, в ней появляется магнитное поле, напряженность которого определяется (в гауссовой системе единиц) формулой

где V – скорость движения электронов, E – напряженность электрического поля, созданного приложенным к затвору потенциалом, а квадратные скобки обозначают векторное произведение. При достаточной величине напряженности магнитного поля (таким образом, скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается.

Новые идей. Перспективные приборы.

Спин-аккумулятор: физики разработали батарею на новом источнике энергии. [11]

Исследователи Университета Майами (University of Miami), США и двух университетов Японии – Университета Токио (University of Tokyo) и Университета Тохоку (University of Tohoku) доказали существование «спин-батареи», то есть батареи, которая может быть «заряжена» приложением большого магнитного поля к наномагнитам в устройстве, известном как туннельное магнитное соединение (ТМС).

Новая технология – это шаг вперед – к созданию компьютерных хард дисков без движущихся частей, что означает более быстрые, менее шумные и дорогие хард-драйвы, да к тому же еще и потребляющие меньше энергии, чем существующие на сегодня. Новый тип батареи может оказаться перспективным для создания даже автомобильных аккумуляторов.

Устройство, созданное проф. физики из Университета Майами Стюартом Барнсом (Stewart E. Barnes) и его коллегами, может запасать энергию в магнитах, а не в химической реакции. Как заводной игрушечный автомобиль, спин-батарея может быть «заведена» приложением сильного магнитного поля. По мнению проф. Барнса, это устройство потенциально лучше всего, что до сих пор было придумано в области аккумуляторов электроэнергии. По словам проф. Барнса, ученые предполагали увидеть эффект, но не ожидали, что устройство будет генерировать столь высокое напряжение – в сотни раз выше расчетного – и будет держать его в течение десятков минут, а не нескольких миллисекунд, как это предполагалось. В результате именно отличие экспериментальных данных от теоретических предпосылок и привело ученых к пониманию происходящих процессов. Результаты разработки опубликованы в журнале Nature.

«Секрет» этой технологии физически объясняется следующим простым образом – наномагниты индуцируют электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС – физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках тока. Собственно говоря, эта технология использует те же самые принципы, что работают и в традиционных батареях, за исключением того, что это происходит в более прямом виде. Энергия, которая накапливается в батарее- будь то телефон или электромобиль, находится в химической форме. Когда прибор включают, происходит химическая реакция, в результате которой образуется электрический ток. По описанной же технологии энергия магнитного поля напрямую превращается в электрическую энергию, без какой-либо химической реакции. Электрический ток, возникающий в этом процессе, называют спин-поляризованный ток, который известен в новой технологии, которая получила название спинтроника.

Данное открытие продвигает вперед наше понимание того, как работают магниты, откуда следует возможность прямого применения эффектов ТМС в электронных элементах, которые работают совершенно не так, как традиционные транзисторы. Несмотря на то, что существующее устройство имеет диаметр, соизмеримый с диаметром человеческого волоса, и не сможет активировать даже светодиод, в принципе, энергии, которая может быть накоплена подобным образом, в будущем будет хватать на многомильный пробег автомобиля. Как считает проф. Барнс, возможности технологии неисчислимы.

Рисунок 4. Верхняя часть рисунка – общая схема устройства спин-батареи. Диаметр примерно равен толщине человеческого волоса. Нижняя часть представляет собой увеличенное изображение центральной части. Белые пятна – атомы, а белые кружки – наномагниты, «рабочая» часть устройства (Изображение: Pham Nam Hai)

Революция в сфере производства компьютеров: харддиски заменят нанопроволокой

Надо думать, лет через десять слово «харддиск» с его двумя дурацкими «д» станет исчезать из нашего лексикона и превратится в такой же архаизм, как и слово «примус». Во всяком случае, реальные основания для этого уже есть.

Рисунок 5. Устройство нанопроволки "трековой" памяти.

Профессор Матиас Кляуи (Mathias Klaui) из Федерального политехнического института Лозанны (Швейцария) придумал харддискам замену, которая в сто тысяч раз ускорит работу компьютеров, будет потреблять намного меньше энергии и вдобавок будет противоударной из-за отсутствия движущихся частей.

Память, как и у харддиска, – магнитная. Этим система немного напоминает видеокассету, только у видеокассеты носитель пленка, а у новой системы – проволока. Но на этом сходство заканчивается. Проволока в новой «трековой» памяти (racetrack memory) в миллион раз уже видеопленки, так что это уже нанопроволока. Способ записи и считывания информации совершенно иной – он основан на принципах «спинтроники» (область квантовой электроники, которая, как утверждают, скоро потеснит обычную электронику). В этой нанопроволочке биты информации передаются при помощи спинполяризованного тока со скоростью несколько сот метров в секунду. Четырехчасовую видеокассету можно было бы прочесть с такой скоростью меньше чем за минуту.

Особенные трудности у Кляуи и его коллег вызвала необходимость надежно разделять друг от друга информационные биты-домены, устроив на их «стенках» магнитные вихри.

Обкатанная идея тут же нашла своих воплотителей – ученых из Цюрихского исследовательского центра IBM, которые сейчас занимаются разработкой трековой памяти. Они заявляют, что в один чип можно впихнуть миллионы или даже миллиарды таких проволочек, что обеспечит запоминающей платформе огромную емкость. По их мнению, уже через 5–7 лет трековая память сможет появиться на рынке.

Похоже, это будет настоящий прорыв. Компьютеры, оснащенные трековой памятью, будут включаться мгновенно, доступ к информации ускорится в 100 000 раз. Существенно снизится и энергопотребление. В сегодняшних компьютерах оперативная память RAM должна обновляться каждую микросекунду, а это 300 мВт, даже если на компьютере не работают. У трековой памяти эти потери можно довести до нескольких мВт. Если же учесть, что компьютеры и остальная электроника потребляют сегодня 6% мировой электроэнергии, а в 2025-м будут потреблять 15%, то получается немалая экономия.

IBM построила прототип высокоплотной быстрой памяти

Показанный на днях экспериментальный чип является предвестником запоминающих устройств, сочетающих огромную ёмкость классических жёстких дисков с надёжностью и скоростью срабатывания твердотельных схем.

Рисунок 6. Опытный чип (показан его фрагмент) содержит несколько ячеек памяти и все сопутствующие элементы.

Пятого декабря 2011 в Вашингтоне на международной конференции по электронным устройствам IEDM 2011 компания продемонстрировала первый рабочий прототип памяти типа Racetrack («гоночный трек», «ипподром»).

В устройстве Racetrack нет ни одной подвижной детали. Биты хранятся в виде чередования магнитных доменов в металлических проводках длиной в микрометры и поперечником в нанометры. Каждый такой проводок в теории может хранить десятки и сотни бит.

Для записи и чтения стенки магнитных доменов сдвигаются вдоль проводков при помощи спин-поляризованных импульсов тока. Домены движутся в затылок друг другу, словно машины на узкой трассе.

Новый чип создан по стандартной полупроводниковой технологии CMOS. Причём все необходимые элементы уместились на едином куске кремния.

Нанопроводки были выполнены из сплава никеля и железа. Его тонкий слой учёные нанесли на пластину, а затем вытравили ненужные части. Каждый проводок (всего их в новом чипе 256) насчитывает в длину 10 микрометров, 150 нанометров в ширину и только лишь 20 нанометров в толщину.