Популярная спинтроника:
преемница электроники

ИСТОЧНИК: Время электроники

АВТОР: Время электроники

Спинтроника может стать будущим электроники, но что это такое? Если коротко, это область, в которой снято фундаментальное ограничение электроники. Ведь электроны имеют заряд, и каждый раз, когда заряженный электрон перемещается для какого-то действия, его усилия превращаются в тепло. Кроме заряда, электроны обладают спином, который в спинтронике передает данные без потери энергии.

Итак, что такое спин?

«Электрон имеет электрический заряд и магнитный спин. В спинтронике можно использовать спин в дополнение к заряду», – объясняет доктор Пауль Стеффенс (Paul Steffens), ученый, изучающий магнетизм в лаборатории по исследованию нейтронов в Гренобле. «Магнетизм может возникнуть в замкнутом контуре от проходящего по нему тока, или в петле из проволоки под током, или же магнитный момент может создать электрон, кружась вокруг атома. Это не абсурд – думать о спине, как о маленькой петле с током. Это картина, которая может помочь. Думаю, это похоже на крошечный магнит, которым можно управлять с помощью магнитного поля».

Спин уже используется в коммерческих целях в GMR-устройствах (то есть основанных на эффекте гигантского магнитосопротивления) для считывания информации с жестких дисков.

«Спин может найти применение в разных областях. В больших масштабах ярким примером такого использования является беспроводной утюг на электромагнитной подошве. Еще один пример – хранение данных на жестком диске, где информация сосредоточена в магнитных доменах. Это та область, в рамках которой основную роль играют квантовые эффекты, здесь мы должны думать в терминах квантовой механики», – говорит Пауль Стеффенс.

С точки зрения спинтроники, спин отдельного электрона может быть направлен либо «вверх», либо «вниз», и полезное свойство спина – возможность передвигаться в отсутствии импульсной электромагнитной муфты без потерь энергии.

«Если бы можно было двигать спин электрона, выделялось бы меньше тепла, но, если существует только электрон, нельзя двигать спин и заряд», – объясняет физик-теоретик доктор Тим Займан (Tim Ziman). «Если существует много электронов, можно двигать спин вверх в одном направлении и вниз в другом направлении. В первом приближении, спин движется, но нет связанного движения заряда, потому что нет связанного движения электронов».

В первом приближении?

«Они разделяют заряд и спин, но это – не главное», – считает Займан.

Ток заряда и ток спина имеют различные характеристики. Займан объясняет это так: ток заряда продолжает движение, в то время как ток спина – часть «спиновой диффузии» – случайной смены спиновых состояний, или связанного потока спинов, который быстро заканчивается.

К счастью, спиновая диффузия не является препятствием для спинтроники, так как в нормальном состоянии спин сможет перемещаться на многие микрометры, прежде чем начнется диффузия рассеяния, этого вполне достаточно, если считать спинтронику уменьшенной моделью электроники. Это означает, что данные должны прийти и уйти в электронном виде, с соответствующими изменениями за счет влияния спинтроники.

«Одна из проблем, которая частично решена, – преобразование тока заряда в спиновый ток и затем фиксация электрической поляризации спина, – считает Займан, который ищет пути повышения значений спиновых токов. – Я рассматриваю общее рассеяние, как пример спиновых волн».

«Угловое рассеяние – один из способов выделения электронов со спином вверх и электронов со спином вниз, – пояснил Займан. – Нужно сделать это эффективно. Я не думаю, что существует удобная схема реализации этого процесса».

За последние годы было предложено множество методов хранения и перемещения информации. «Человечество в последние 5–10 лет сделало множество устройств и интегрировало их в электронные схемы», – считает Займан.

Квантовые вычисления

Спинтроника тесно связана с двумя другими областями исследований и разработок. От прогресса одной из них смогут выиграть все три. Среди этих областей – квантовые вычисления. «Для исследований в этой сфере используются те же устройства. Квантовая интерференция – часть той же технологии, она находится на аналогичной стадии, разрабатывают ее те же коллективы ученых и специалистов», – говорит Займан.

Еще одна область исследования – влияние электрического тока на стенки магнитных доменов. «Эта сфера похожа на спинтронику, это действительно ее часть, но только в том, что касается памяти, а не логических операций. Физика обоих процессов идентична».

«Чуть меньше общего у спинтроники с методом ядерного магнитного резонанса, который лежит в основе техники сканирования и относится к наномиру. Этот метод может совершить революцию в биологии», – считает Займан.

Почему ученый, изучающий магнетизм и спин, работает в нейтронной лаборатории?

Ответ заключается в том, что нейтроны имеют спин, но не несут заряд. Как рентгеновские лучи могут выявить структуру молекул и кристаллов – как они сделали это с ДНК – так и нейтроны могут выявить спиновую структуру материала без изменения своего заряда.

«Луч нейтронов выходит из самого мощного в мире ядерного реактора, – рассказывает Займан. – Он составляет около 1 см в диаметре, его дифракция внимательно изучается после прохождения через образец материала».

«Нейтроны являются лучшим способом исследования магнитных свойств сыпучих материалов. Вы не сможете продеть нанонить через нейтронный пучок и ожидать результат, – считает Займан. – Нейтроны так же хорошо подходят для контроля доменных стенок и экзотических структур, например, магнитных скирмионов, самых маленьких доменов и узлов решетки, которые только могут хранить данные».

ВИКИПЕДИЯ

Спинтроника (спиновая электроника) — область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов (электроника), в которых спин электрона наравне с его зарядом используется для получения, обработки и передачи информации.

Ферромагнитные гетероструктуры

К типичным системам, в которых возможны эффекты спинтроники, относятся, в частности, гетероструктуры ферромагнетик—парамагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

В таких гетероструктурах источником спин-поляризованных электронов (спин-инжектором) является проводящий ферромагнетик (проводник или полупроводник), обладающий в намагниченном состоянии спонтанной, спиновой упорядоченностью носителей заряда; в ферромагнитных полупроводниках достигаются уровни спиновой поляризации значительно более высокие (до 100 %), чем в металлах (до 10 %). Во внешнем магнитном поле возможно зеемановское расщепление зоны проводимости в полупроводнике с формированием двух зеемановских энергетических подуровней. При инжекции спин-поляризованных электронов в такой полупроводник возможны управляемые переходы как на верхний, так и на нижний уровень, что даёт, в, частности, возможность создания инверсии населённости и, соответственно, генерации когерентного электромагнитного излучения с управлением частоты магнитным полем.

Другие эффекты возникают в джозефсоновских переходах с изолирующим ферромагнетиком: в этом случае возможно управление туннелированием с помощью внешнего магнитного поля.

Также возможно использование структур на основе силицена.

Применение

Твердотельный аккумулятор без химических реакций, который переводит электрическую энергию в постоянное магнитное поле и обратно (то есть как бы намагничивает током постоянный магнит, а размагничивая его обратно, даёт ток — что раньше считалось невозможным на макроуровне без движущихся частей даже теоретически; однако никакого противоречия с теорией здесь нет, так как движущимися частями тока в аккумуляторе являются элементарные носители спин-поляризованного тока).
Электронные компоненты:
- Компьютерная память типа STT-MRAM (Spin Torque Transfer MRAM), трековая память.
- Спиновые транзисторы, представляющие собой слоистую структуру «ферромагнетик $({\text{Co}}_{84}{\text{Fe}}_{16})$ — кремний — ферромагнетик $({\text{Ni}}_{80}{\text{Fe}}_{20})$ — кремний с примесями». После прохождения первого ферромагнитного слоя электрический ток приобретает спин-поляризацию, которая частично сохраняется при движении через слой кремния (лучшее значение по состоянию на 2007 год — сохранение спиновой поляризации у 37 % электронов при температуре −73 °C и толщине слоя кремния до 350 мкм), что позволяет управлять значением спинового тока на выходе путём изменения ориентации магнитных полей двух слоёв ферромагнетика (см. Гигантское магнитное сопротивление) .
- Логические схемы, потенциально обладающие, по сравнению с современными КМОП-схемами, более высоким быстродействием (время задержки сигнала менее 1 нс), более низким тепловыделением (тепловыделение вентиля 10⁻¹⁷ Дж) и не подверженные воздействию ионизирующих излучений.