Спинтроника — новое направление в микроэлектронике, базирующееся на использовании такой квантово-механической характеристики электронов, как спин. Устройства, созданные на ее основе, обещают решить многие и существующие, и ожидаемые в ближайшем будущем проблемы традиционной микроэлектроники: энергонезависимость, уменьшение энергопотребления, увеличение плотности логических элементов и скорости обработки данных. 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). Напомним, что во внешнем магнитном поле собственный магнитный момент электрона, обусловленный спином, ориентируется либо параллельно вектору магнитной индукции (вверх), либо антипараллельно (вниз). В устройствах, построенных на спиновом эффекте, используются, в частности, ферромагнетики. Поэтому прежде чем переходить к их (устройств) более детальному рассмотрению, опишем вкратце магнитные свойства этих материалов.

Ферромагнетиками называются вещества, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле. Это объясняется существованием так называемого обменного взаимодействия, связанного с перекрытием волновых функций электронов, принадлежащих соседним атомам кристаллической решетки, а также нескомпенсированных спиновых магнитных моментов валентных электронов. Именно обменное взаимодействие заставляет спины электронов ориентироваться параллельно или антипараллельно в зависимости от того, какое из состояний является энергетически более выгодным. В первом случае говорят о ферромагнетизме, а во втором — об антиферромагнетизме.

При температуре ниже так называемой точки Кюри ферромагнетик разбивается на домены самопроизвольной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности разных доменов произвольны и результирующая намагниченность всего тела может быть равной нулю. Во внешнем магнитном поле векторы намагниченности ориентируются в преимущественном направлении, создавая сильное внутреннее магнитное поле.

Магнитную структуру кристалла антиферромагнетика можно рассматривать как состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешеток численно равны, то спонтанная намагниченность не возникает, если нет, то она появляется (ферримагнетизм). Такими свойствами обладают, например, ферриты. При низких температурах магнитная восприимчивость антиферромагнетиков ничтожно мала, т. е. они практически не намагничиваются во внешнем магнитном поле.

Устройства, использующие спин-эффекты

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.

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.

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%.

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 — скорость движения электронов, — 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.

Это перспективные разработки, а если вернуться к эффекту GMR, то следует отметить, что сфера его применения расширяется. Кроме прописки в технологиях чтения жестких дисков, спиновые клапаны на GMR используются в гальванических изоляторах и MRAM (Magneto resistive RAM).

GMR-базированный гальванический изолятор выполняет ту же функцию, что и оптоэлектронный, обеспечивая развязку цепей по питанию и земляной шине. Его основными элементами являются плоская катушка и GMR-сенсор, встроенные в интегральную схему (рис. 4). Для передачи сигнала из одной цепи в другую по катушке пропускается ток. Созданное им магнитное поле воздействует на GMR-сенсор. Такой изолятор работает в 10 раз быстрее современных оптических и это еще не предел.

На рис. 5 приведена схема ячейки магниторезистивной памяти (Motorola), основанной на магнитном туннельном переходе. Для хранения информации MRAM использует явление гистерезиса, а для считывания — GMR. Она функционирует подобно полупроводниковой статической памяти (SRAM), однако ее важной особенностью является способность сохранять данные при выключении питания. Если такую память использовать в персональных компьютерах, то они не будут требовать выполнения довольно длительной процедуры загрузки при включении.

Основными элементами ячейки памяти MRAM являются взаимно перпендикулярные разрядная (bit line) и числовая (word line) шины, между которыми располагается структура MTJ. При операции записи (рис. 5а) по шинам пропускается электрический ток, создающий магнитное поле, которое меняет направление намагниченности в свободном ферромагнетике. При операции чтения (рис. 5б) открывается развязывающий транзистор и ток проходит через структуру MTJ. Изменение сопротивления ячейки может быть интерпретировано как двоичные 0 или 1 . Такая память работает в 1000 раз быстрее традиционной EEPROM и не имеет ограничения по количеству циклов перезаписи.

Перспективные направления

Общим для всех устройств, описанных выше, является то, что в их основе лежит металл. Существенный недостаток такого подхода — невозможность усиливать сигналы. Очевидные металлические аналоги традиционным полупроводниковым транзисторам, в которых отток электрона из базы n-p-n транзистора позволяет десяткам других поступать от эмиттера в коллектор, сегодня отсутствуют. Найти материалы, которые обладали бы как свойствами ферромагнетиков, так и полупроводников, — давнишняя мечта исследователей. Но она труднодостижима: уж очень велико различие в кристаллической структуре и характере химических связей. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов, а с другой — легко интегрировались бы с традиционными полупроводниковыми устройствами. Идеальный ферромагнитный полупроводник должен иметь точку Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с n — и p -проводимостью в одном монокристалле. Сегодня большое внимание привлекают так называемые разбавленные магнитные полупроводники, сплавы, в которых некоторые атомы в случайном порядке заменяются атомами с магнитными свойствами, например Mn 2+ . Имеются теоретические предсказания, что для некоторых классов таких материалов точка Кюри будет выше комнатной температуры.

Несмотря на то что исследования по спинтронике проводятся во многих странах, до практических результатов еще достаточно далеко. Предстоит изучить особенности переноса спин-поляризованных электронов в различных материалах и через поверхности раздела, а также научиться генерировать их в большом количестве.

В течение одного лишь февраля 2013 года в инфотехнологических СМИ набрался целый букет весьма примечательных новостных сообщений о достижениях в области спинтроники. То есть о новой, принципиально иной разновидности электронных устройств, опирающихся в работе не на электрический заряд частиц-переносчиков, а на их спин — внутренне присущее частицам квантовое свойство, освоение которого сулит подлинную революцию в компьютерных технологиях.

Вот как, навскидку, выглядят лишь некоторые из последних известий спинтроники.

Два германских университета, Майнца и Кайзерлаутерна, успешно завершившие исследования по созданию чипа спинтронной памяти на основе так называемых компаундов Гейслера, получили от государства солидный грант в размере 3,8 миллиона евро — для скорейшего доведения наработанных технологий до стадии массового промышленного производства .

Ученые британского университета Кембридж сумели объединить в своей разработке два наиболее передовых направления исследований в области электроники — 3D-чипы и спинтронику . Благодаря этому им удалось создать и продемонстрировать прототип «первого в мире спинтронного 3D-процессора» (кавычки тут необходимы, так как на самом деле это далеко еще не полноценный процессор, однако творческие успехи исследователей сомнению не подлежат).

Специалистам Геттингенского университета — опять-таки в Германии — удалось придумать и синтезировать такую молекулу искусственного органического вещества, которая способна играть роль стабильной ячейки спинтронной памяти . При данном уровне миниатюризации спинтронное запоминающее устройство на основе недорогих органических материалов позволит хранить примерно петабайт данных (тысячу терабайт, или миллион гигабайт) на чипе размером около дюйма.

Если в этот же пакет новостей добавить еще несколько совсем недавних и очень впечатляющих — об успехах других исследовательских центров США, Японии и прочих стран, уже вплотную приблизивших спинтронные технологии к фазе промышленного производства, то становится очевидно: и вправду грядут большие перемены.

Ну а чтобы более отчетливо представлять, какого рода инфотехнологии приходят на смену обычной полупроводниковой электронике, имеет смысл чуть подробнее рассмотреть особенности спинтроники. Почему эта технология столь привлекательна, каковы труднейшие проблемы в ее освоении и как, наконец, удается эти проблемы обходить-преодолевать…

⇡ Естественная альтернатива

Среди специалистов нередко можно услышать мнение, согласно которому очевидные задержки с приходом давно ожидаемой спинтроники в нашу жизнь вызваны в первую очередь на редкость стабильным и успешным прогрессом в области традиционных полупроводниковых технологий. То есть время новой техники не настало лишь потому, что и старая еще хоть куда.

Эмпирическим законом Мура, как известно, установлено никак не доказуемое, но исправно работающее вот уже свыше полувека правило. Число элементов типовой микросхемы — проще говоря, производительность чипов — стараниями ученых и инженеров исправно продолжает удваиваться примерно каждые полтора года.

Почему так происходит, неизвестно. Но всем понятно, что бесконечно это продолжаться не может. Ибо нынешняя конструкция микросхем быстро движется к своим физическим пределам. Или иначе, все известные проблемы технологии — с литографией, материалами, охлаждением — дружно приближаются к такому состоянию, когда их преодоление не то чтобы абсолютно невозможно, но оказывается слишком уж дорогим и неэффективным.

Короче говоря, с одной стороны, явно требуется нечто иное. А с другой — давно уже есть понимание, как именно это иное почти наверняка будет выглядеть.

Наличие у частиц материи особого свойства под названием спин — обычно иллюстрируемого аналогиями с осью вращения волчка или двумя полюсами магнитной стрелки — было установлено еще на заре рождения квантовой механики. А поскольку квантовый спин электрона принимает лишь два возможных значения, условно именуемых «спин-вверх» и «спин-вниз», в этой конструкции довольно давно был замечен и весьма многообещающий инфотехнологический потенциал. По сути, в природе имеется уже готовый переносчик двоичной информации, кодирующий в направлении спина либо 1, либо 0.

И самое замечательное, что речь идет о том же самом электроне, который изначально фигурирует в основах и сердцевине микроэлектронной революции. Практически все полупроводниковые микросхемы построены на транзисторах, главную роль в работе которых играют перемещения электронов. Точнее, перемещения электрических зарядов, присущих электронам. В то время как спин электрона — открытый почти 90 лет назад — игнорируется в полупроводниковой индустрии, по сути дела, полностью...

Однако раз уж все согласны, что закон Мура должен действовать и дальше, то в качестве самой естественной и при этом более прогрессивной альтернативы обычной микроэлектронике ныне выступает технология под общим названием spintronics. Имя это чаще всего расшифровывают как SPIN TRansport electrONICS, то есть «электроника на основе переноса спина».

Масса достоинств и преимуществ новой технологии возрастает день ото дня. Среди важнейших — быстрота и экономичность. Ведь спин электрона можно переключать из одного состояния в другое за много меньшее время, чем требуется на перемещение заряда по схеме, а делается это с куда меньшими затратами энергии. Плюс к этому при перебросах спина не меняется кинетическая энергия носителя, значит, почти не выделяется тепло.

В совокупности все эти особенности технологии позволяют создавать на базе спина и спиновых токов (потоков электронных спинов единой полярности) существенно новые транзисторы, ячейки логики и памяти, которые заменят собой обычные транзисторы в интегральных микросхемах. А это, в свою очередь, позволит и далее придерживаться тенденции к миниатюризации электроники.

Попутно с развитием этой технологии выясняется, что спинтроника также открывает пути и к созданию совершенно новых типов устройств. Таких, к примеру, как светоизлучающие диоды (LED), порождающие свет с левой или правой круговой поляризацией, что очень полезно для приложений в области защиты, кодирования и уплотнения оптоэлектронных коммуникаций. Если заглянуть в будущее чуть-чуть подальше, выяснится, что уже наметилось появление таких спинтронных устройств, которые можно использовать как кубиты, то есть базовые элементы конструкции в квантовых компьютерах.

Но для того, чтобы спинтронная революция в полупроводниковой индустрии произошла, надо найти оптимальные компоненты технологии, поисками которых исследователи заняты вот уже второй десяток лет. Обычно тут принято выделять три главные задачи:

1. способы для инжекции (то есть «впрыска») спиновых состояний в схему;
2. манипуляции со спином внутри схемы;
3. детектирование спиновых состояний электронов после обработки.

Все эти задачи крайне желательно решить в условиях полупроводниковой среды, поскольку данные материалы, скорее всего, в обозримом будущем и далее будут оставаться главной физической базой для электроники.

Манипуляции со спином электронов считаются делом относительно простым и бесхитростным (коль скоро спин — словно стрелка компаса — очень чутко реагирует на переключение магнитного поля). Но вот создание надежных инжекторов и детекторов для хрупких спинов в условиях практичных приложений для массового производства — это все еще целый комплекс гигантских проблем.

⇡ Полигон и взлетная площадка

Дабы общее положение дел в спинтронике стало яснее, необходимо подчеркнуть, что манипуляции спином электронов — это большой и развитый бизнес уже сегодня. Но только за пределами полупроводниковой индустрии. Фактически спинтронные устройства на металлической основе сейчас встречаются повсеместно — в жестких дисках почти любого компьютера на планете.

В конце 1988 года было обнаружено, что поток спин-поляризованных электронов в слоеной конструкции покрытия (два тонких слоя ферромагнетика, разделенные слоем немагнитного металла), можно ощутимо изменять, перебрасывая на противоположную полярность внешнего магнитного поля. Этот эффект, получивший название GMR, или гигантское магнетосопротивление, позволил создавать намного более чувствительные магнитные головки и, соответственно, уменьшать размеры магнитных доменов, кодирующих двоичные данные на пластинах. Иначе говоря, значительно увеличилась информационная емкость накопителей на жестких магнитных дисках.

Манипулирование спиновыми характеристиками — перенос электронных спинов между двумя металлами — также лежит в основе MRAM, магниторезистивной памяти произвольного доступа. То есть нового типа компьютерных запоминающих устройств, сохраняющих информацию без электропитания.

Физика работы MRAM основана на эффекте, отчасти напоминающем GMR и известном как туннельное магнетосопротивление (TMR). Здесь два слоя ферромагнитного металла разделены тонким слоем изолирующего материала, такого как оксид алюминия или оксид магния.

Если в GMR происходит медленное — за счет классической диффузии — перемещение спин-поляризованных электронов с одного ферромагнитного слоя на другой, то в конструкции TMR имеет место сугубо квантовый туннельный переход через разделяющий слой (классически запрещенный процесс, при котором частица проходит через потенциальный барьер, превышающий ее кинетическую энергию).

Такого рода устройства именуются магнитными туннельными переходами, или MTJ (magnetic tunnel junctions). Главная фишка эффекта в том, что туннелирование — а значит, и перенос спина через барьер — может происходить лишь в случае «правильной» ориентации спина частицы.

Хотя эффект спин-зависимого туннелирования впервые был продемонстрирован еще в 1975 году, как и большинство квантовых феноменов, он работал лишь при очень низких температурах. То, что это возможно и при комнатной температуре, удалось показать лишь к 1995-му.

Поначалу, правда, выравненные спины частиц в ферромагнитных слоях удавалось переключать с параллельного на антипараллельное состояние лишь для 12-18% электронов, чего для практических устройств еще далеко не достаточно. Однако уже к концу 1990-х усиленные мозговые штурмы разработчиков и надлежащие финансовые вложения привели к решению задачи: нужное соотношение удалось повысить до 70%.

Более того, к середине 2000-х годов новейшие технологии, обеспечивающие атомной толщины плоские интерфейсы между металлическими и оксидными слоями, позволили достичь значений TMR порядка 400% — благодаря особому эффекту когерентного туннелирования.

Итогом же стало то, что массивы памяти MRAM, основанные на туннельном магнетосопротивлении, уже до конца десятилетия были запущены в производство и продажу. Так что в недалеком будущем, по мере удешевления технологии, MRAM позволит делать такие бытовые компьютеры, которые способны включаться-выключаться мгновенно. Благо состояние системы будет храниться в быстрой и энергонезависимой памяти.

⇡ Инжекторы и детекторы

Подробности в предыдущем рассказе о спинтронной памяти понадобились вот по какой причине. Ключевые моменты этой истории — от особенностей технологии до общей траектории ее преображения из демообразца в продукт массового производства — очень похожи и на путь спинтроники в полупроводниковые чипы.

Важнейшее, пожалуй, отличие в том, что эффект TMR основан на большом количестве электронов, которые имеют нужное состояние спина и сохраняют его при переходах через интерфейсы между ферромагнитными металлами и изолирующими металлическими оксидами.

Ну а для того, чтобы стали возможными полупроводниковые спинтронные устройства, требуется достичь такого же по сути поведения электронов — но только через интерфейсы, сформированные между полупроводником и материалом, выступающим в роли спин-инжектора или спин-детектора.

Поскольку кремний и арсенид галлия — это два наиболее широко используемых в индустрии полупроводника, то главная задача разработчиков — отыскать такие спинполяризованные материалы (вещества, в которых большинство электронных спинов выравнено в заданном направлении), которые можно было бы с ними эффективно комбинировать.

История долгих и трудных поисков материалов подобного рода пока еще далеко не дописана. Конечно, здесь можно было бы рассказать о нескольких разных подходах, с тем или иным успехом применяемых во множестве лабораторий мира для решения этой труднейшей задачи. Но лучше все же, наверное, пока эту тему пропустить.

Потому что к концу первого десятилетия XXI века итог всех изысканий по внедрению спинтроники в индустрию микросхем выглядел примерно так. Несмотря на множество локальных успехов, в целом никто так и не сумел отыскать подходящих (ферромагнитных полупроводниковых) материалов, которые работали бы при комнатной температуре и подходили бы для использования в практичных устройствах полупроводниковой спинтроники...

Но, несмотря на столь унылый результат, это совершенно не означает, что прогресс забуксовал и остановился.

⇡ Компаунды Гейслера

Чрезвычайно важное для истории спинтроники событие произошло летом 2010 года, когда через журнал Nature было обнародовано открытие физиков из германского университета Майнца. Этот университет с давних пор имеет репутацию одного из главных мировых центров по исследованиям так называемых компаундов Гейслера (о специфических свойствах данных материалов рассказ впереди).

Благодаря же новому открытию ученых, обнаруживших в компаундах Гейслера совершенно особое квантовое состояние материи — именуемое «топологический изолятор», — попутно открылись и новые замечательные перспективы для развития спинтронных технологий. Причем не только в области устройств памяти, но и для полупроводниковых микросхем, и для новых батарей электропитания, и для многих других заманчивых приложений.

Что же это такое, материалы Гейслера?

Прежде всего, уместно отметить, что вообще-то немецкую фамилию Heusler следует читать как Хойслер. Однако по многовековой российской традиции иностранные имена и названия произносятся у нас на собственный манер. Поэт, известный в мире как Хайне, у нас именуется Гейне. Залив Хадсон мы называем Гудзон. По той же причине инженера-ученого Фридриха Хойслера, в начале 1900-х годов открывшего необычные свойства у сплавов обычных металлов, в России принято и сегодня именовать по старинке — Гейслером.

На протяжении вот уже многих лет материалы Гейслера находятся в фокусе исследований ученых по следующей причине. Являясь относительно простыми химическими соединениями из трех базовых элементов, компаунды Гейслера могут обладать широким спектром разнообразных физических характеристик.

Так, известнейшая специфическая особенность этих компаундов в том, что они демонстрируют характеристики иные, нежели естественно ожидать от элементов, их составляющих. Первый компаунд Гейслера, например, был сделан из немагнитных элементов — меди, марганца и алюминия. Однако их сплав вида Cu 2 MnAl ведет себя как ферромагнит даже при комнатной температуре. Аналогично, когда комбинируются три металла в иной комбинации, в результате может получаться полупроводник.

Если чуть подробнее, то компаундами Гейслера называют материалы с очень общей структурой состава, выражаемой формулой X2YZ (где X, Y это переходные металлы, а Z — элементы из III-V групп таблицы Менделеева). Поскольку каждый из элементов X, Y, Z может быть выбран примерно из 10 различных кандидатов, общее число всевозможных материалов Гейслера грубо оценивают цифрами порядка 1000 (плюс к этому, имеются так называемые «полугейслеры», описываемые формулой XYZ и тоже обладающие спектром интересных свойств).

Благодаря несложной и гибкой структуре в основе, желательные свойства компаундов Гейслера могут быть настроены путем подстройки их композиционного состава. Иначе говоря, у исследователей имеется весьма широкий класс веществ, простых в изготовлении и зачастую состоящих из относительно недорогих общедоступных компонентов, но позволяющих при этом получать материалы с весьма экзотическими ферромагнитными или полупроводниковыми свойствами.

Благодаря этому, в частности, компаунды Гейслера ныне считаются очень перспективным материалом для изготовления солнечных батарей и других термоэлектрических генераторов, способных напрямую преобразовывать тепло в электричество. Например, без подвижных деталей конструкции вырабатывать электроэнергию от процессов побочного тепловыделения машин и приборов.

Когда же в середине 2000-х годов сначала теоретики, а вскоре и экспериментаторы открыли в природе совершенно новое состояние материи под названием топологический изолятор , то через некоторое время выяснилось, что и тут компаунды Гейслера оказываются в высшей степени полезным материалом.

На протяжении последних лет шести-семи топологические изоляторы, или кратко ТИ, являются очень горячей темой исследований в области твердотельной физики и материаловедения. Главным характерным свойством ТИ считается тот факт, что, хотя данные материалы реально являются изоляторами или полупроводниками, однако их поверхности ведут себя как проводящий ток металл — но металл далеко не обычный. Словно в сверхпроводниках, в ТИ электроны движутся по поверхностям без взаимодействия со своим окружением — поскольку они находятся в неведомом прежде квантовом состоянии «топологической защиты».

При этом в резком контрасте с физикой сверхпроводников находится другое свойство ТИ. В топологических изоляторах на поверхности имеется не один, а два не взаимодействующих друг с другом тока — по одному на каждое из направлений спина, которые текут в противоположных направлениях.

И понятно, наверное, что два этих устойчивых спиновых тока, на которые не действуют дефекты структуры или загрязнения в материале, как будто созданы для того, чтобы их применяли в спинтронике (а также и в прочих приложениях квантовой информатики — вроде квантовых компьютеров).

Так что уже из этих соображений можно представить, сколь мощный интерес и даже, можно сказать, бурное возбуждение проявились в научном сообществе, когда выяснилось, что именно такими замечательными свойствами ТИ обладают давно исследуемые и осваиваемые учеными материалы Гейслера.

Причин для подобного возбуждения называет сразу несколько.

Во-первых, интерес к компаундам Гейслера вызван их возможностями проявлять, как это называют специалисты, «полуметаллический» характер. Термином «полуметаллический характер» обозначают то, что данный материал способен одновременно обеспечивать металлическое поведение электронов с одним спиновым компонентом (например, для электронов со «спином-вверх») и изолирующее поведение для другой спиновой ориентации (типа «спин-вниз»). При этом материалы могут демонстрировать уровень спин-поляризации 100%, что делает их идеальными кандидатами для спин-поляризаторов (инжекторов) или же, наоборот, для спин-детекторов.

Во-вторых, компаунды Гейслера — это не просто весьма большой класс материалов, насчитывающий свыше 1000 представителей. Он содержит в себе — согласно расчетам — свыше 50 компаундов, имеющих отчетливые признаки топологических изоляторов.

Отсюда же следует и «в-третьих»: благодаря такому разнообразию, теперь становится возможным не только подбирать желательные, но и разрабатывать совершенно новые физические эффекты. Уже вполне ясно, что, поскольку эти материалы состоят из трех элементов, они заведомо могут предлагать широкий диапазон и других интересных свойств в дополнение к квантовому состоянию топологической защиты поверхности.

В частности, теперь становится возможным комбинировать в одном материале сразу несколько необычных квантовых состояний, когда, например, сверхпроводимость и топологическая поверхность взаимодействуют друг с другом. А это открывает путь к совершенно новым, экспериментально не обнаруженным пока характеристикам, некоторые из которых уже предсказаны теоретически...

В-четвертых, наконец, разработка новых гейслеровых компаундов — это в данной области отнюдь не единственный подход к порождению желаемых свойств материала. Другой многообещающей альтернативой является модификация уже хорошо известных материалов, поскольку и в них можно подстраивать структуру под желательные характеристики. Причем подобное «перемоделирование» в итоге тоже может порождать материалы, которые вполне можно рассматривать как новые.

Одна из типичных процедур для модификации хорошо освоенных в производстве материалов — это ионная имплантация. При этой операции образец стандартного материала обрабатывают пучком ионов, которые порождают изменения в кристаллической решетке и остаются встроенными в структуру материала как присадки. После чего новые свойства материала — это результат сразу двух факторов: перемен структуры, вызванных «бомбардировкой», и присутствием новых атомов в составе структуры.

Подводя же итог всем этим важным открытиям применительно конкретно к спинтронике, уже можно достаточно уверенно говорить, что компаундам Гейслера суждено сыграть здесь ключевую роль. Поскольку понятно, что эти материалы позволяют совершенно по-новому преодолеть известные препятствия, мешающие скомбинировать обычные ферромагнетики со стандартными промышленными технологиями в индустрии полупроводников.

⇡ Cпинтроника в 3D

Гейслеровы материалы, спору нет, чрезвычайно перспективное направление для дальнейшего прогресса. Но дабы не создавалось ложное впечатление, будто это чуть ли не единственный на сегодня маршрут развития спинтроники, полезно было бы сделать обзор и других интересных разработок. Вроде, скажем, спинтроники на основе органических материалов. Или спинтронной трековой памяти (magnetic racetrack memory, MRM). Или, наконец, спинтронных источников питания на основе магнитных туннельных переходов.

Однако объем статьи не резиновый, поэтому здесь — в качестве в заключения обзора — ограничимся лишь кратким рассказом еще об одной примечательной и совсем новой разработке. Сделана она учеными Кембриджского университета и объединяет в себе сразу два наиболее перспективных направления в современной электронике — спинтронику и 3D-чипы.

Над идеей многослойных, или стековых, как еще говорят, конструкций 3D-чипов работы ведутся довольно давно, по меньшей мере с 1990-х годов. Суть замысла достаточно проста. Если на той же, что и сейчас, кремниевой основе научиться делать не плоские, а подлинно трехмерные — со множеством соединений меж слоями — интегральные схемы слоев эдак на 100, то закон Мура, скорее всего, и дальше будет исправно работать. Еще лет 15 как минимум.

Но одна из труднейших проблем, и поныне стоящих перед разработчиками 3D-чипов, заключается в том, что при опоре на традиционную электронику никак не удается придумать действительно хороший способ для передачи информации между слоями. Если опираться в этом деле на обычные транзисторы схемы, то из-за этого заметно возрастает энергопотребление, а отвод тепла в стековой конструкции, напротив, сильно усложняется — поскольку большинство элементов теперь спрятано во внутренних слоях чипа.

Иначе говоря, традиционный подход к конструированию чипа в 3D не только получается неуклюжим и дорогим, но еще и не позволяет удержать тепловыделение в рамках разумного. А это все означает, что в трехмерной конструкции микросхем для передачи информации между слоями крайне желательно опираться на что-то иное.

Ученые Кавендишской лаборатории в Кембридже решили применять для этого спинтронику. То есть в стековой многослойной конструкции, характерной для трехмерных чипов, они придумали и реализовали остроумный механизм вертикальных межслойных соединений, который работает на базе квантового спина частиц.

Свою разработку они назвали «спинтронный регистр сдвига», а работает эта конструкция как своего рода квантовый храповой механизм — где биты данных и команд, закодированные в спинах, однонаправленно проталкиваются из одного слоя в другой с минимальными затратами энергии и, соответственно, практически без тепловыделения.

Реализован этот «вертикальный регистр» в виде довольно хитрой многослойной структуры сэндвича, где два разных типа металлических слоев толщиной всего в несколько атомов попеременно уложены друг на друга. Свойства слоев сэндвича подобраны так, чтобы местоположение бита информации сдвигалось вверх на «одну ячейку регистра» для каждых двух перебросов в полярности магнитного поля.

Иначе говоря, определенный домен «спин-вверх» в магнитном слое (или ячейке) 12, скажем, после двукратного переключения магнитного поля появляется в ячейке (магнитном слое) 13. Данный механизм перескоков домена по слоям-этажам чипа — это, собственно, и есть базовый режим функционирования регистра сдвига в данной конструкции.

Понятно, что от лабораторной демонстрации устройства до массового производства спинтронных 3D-процессоров на его основе путь, скорее всего, очень неблизкий. Но зато нет сомнений, что продемонстрированная технология является подлинно новаторской, опирается на вполне стандартные производственные процедуры и для своего дальнейшего развития (на данный момент) не имеет препятствий принципиального характера.

Для буквально новорожденной технологии и этого, можно признать, совсем даже немало.

Спинтроника является одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений, призванным в недалеком будущем решить проблемы, с которыми сталкивается современная микроэлектроника. Термин «спинтроника» появился впервые в 1998 году в совместном сообщении лабораторий Белла и Йельского университета (США), в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. Таким образом, согласно их определению, спинтроника – это научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Согласно другим определениям, спинтроника представляет собой:

– электронику 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;

Науку об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях;

Раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах ферромагнетик-парамеагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

Физикам давно было известно, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный и механический моменты электрона. Однако до недавнего времени этот факт никак не использовался, поскольку в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов с различными случайными ориентациями спина, поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы случайным образом, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, а также туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов ситуация изменилась. Были разработаны магниторезистивные считывающие головки, в которых использовался открытый в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Появилась магниторезистивная оперативная память, которая стала еще одним подтверждением хороших перспектив спинтроники. Важную роль в становлении спинтроники сыграло и присуждение в 2007 году Нобелевской премии по физике А. Ферту (Франция) и П. Грюнбергу (Германия) за открытие эффекта ГМС.

Спиновые эффекты, связанные с спин-поляризованным транспортом электронов, возникают, когда в электропроводящем материале появляется спиновый дисбаланс заселенности уровня Ферми. Такой дисбаланс обычно присутствует в ферромагнитных материалах, у которых плотности состояний N(E) для электронов с различными спинами практически идентичны, однако эти состояния существенно различаются по энергии, как схематически показано на рис. 3.60 (здесь и далее под различными спинами электрона понимаются различные проекции спина на ось намагничивания). Без внешнего магнитного поля концентрация электронов со «спином вверх» и «спином вниз» одинаковая. В присутствии магнитного поля энергии электронов со спином по полю («спином вверх») и против поля («спином вниз») сдвигаются. В результате концентрация электронов с различной ориентацией спина вблизи энергии Ферми E F разная.

Рис. 3.60. Плотности состояний электронов с различными спинами в немагнитном (а)

и ферромагнитном (б) материалах

Заселенность энергетических уровней электронами с разным спином определяет спиновую поляризацию инжектируемых из такого материала электронов и особенности транспорта носителей заряда через него. Спиновая поляризация электронов в материале определяется как отношение разности концентраций электронов с различными спинами (n и n ↓) к их общей концентрации. В ферромагнитных материалах максимальная спиновая поляризация может достигать нескольких десятков процентов, но есть и такие сплавы, в частности, т. н. сплавы Хейслера, у которых спиновая поляризация составляет практически 100 %.

Электрический ток в твердотельных структурах, составленных из материалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляризации носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти носители движутся. Электроны, инжектированные с определенным спином, могут занять в коллекторе только вакантные места с такой же ориентацией спина. Электрон, первоначально спин-поляризованный в инжектирующем электроде, по мере движения в коллекторе в силу процессов рассеяния изменяет как свой импульс, так и спин. Для практических применений важно знать, как долго электрон «помнит» свою спиновую ориентацию. В качестве характеристики «спиновой памяти» используют среднее расстояние, проходимое электроном до изменения своего спина. Это расстояние называют длиной спиновой релаксации. Оценки показывают, что ее величина превышает 100 нм.

Наряду с ферромагнитными материалами значительные перспективы практического использования имеют полупроводники, легированные до высоких уровней концентации (несколько атомных процентов) магнитных примесей. Их называют разбавленными магнитными полупроводниками. Исходными материалами являются полупроводниковые соединения А 3 В 5 и А 2 В 6 , а также кремний и германий. В качестве магнитной примеси чаще всего используют марганец. В таких материалах удается получить спиновую поляризацию носителей заряда вплоть до 80 %, хотя температура Кюри для большинства исследованных разбавленных магнитных полупроводников составляет величину порядка 100 К (выше температуры Кюри, как известно, ферромагнитные свойства материала исчезают).

Следует отметить, что для приборных применений разбавленный магнитный полупроводник должен иметь не только высокую спиновую поляризацию носителей заряда, но и температуру Кюри выше комнатной, а также допускать создание областей с n- и р -типом проводимости. В кремнии n -типа спиновая поляризация электронов при комнатной температуре не превышает 5 %. Тем не менее, большая длина спиновой релаксации (для электронов она равна 230 нм, для дырок – 310 нм) делает этот традиционный в твердотельной электронике полупроводник вполне пригодным для создания на его основе электронных приборов на спиновых эффектах. Ферромагнитные свойства обнаружены также в низкоразмерных структурах из оксидов ряда металлов (ZnO, SnО 2 , In 2 О 3 , А1 2 О 3 , TiО 2). Основной причиной ферромагнетизма в них является нестехиометрия по кислороду, особенно в их приповерхностных областях толщиной около 7 – 30 нм.

В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спином управляются намагниченностью этих материалов. Если внешним магнитным полем намагниченность изменяется на противоположную, то преобладающая ориентация спинов также меняется на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электронов в материал с отличной от нуля намагниченностью, следовательно, и со спиновой поляризацией, этот материал может вести себя как проводник или как изолятор – в зависимости от направления намагниченности материала и ориентации спинов инжектированных электронов. При одинаковом направлении спинов инжектированных электронов и электронов материала обеспечивается наивысшая проводимость. Противоположное направление спинов препятствует прохождению электронов через материал.

Спиновые эффекты, используемые в спинтронных приборах, в явном виде проявляются через транспортные явления в электронных структурах, помещенных в магнитное поле. Для их реализации необходимо осуществить ориентацию спинов. Эта задача в настоящее время решается двумя способами: с помощью оптической ориентации и с использованием спиновой инжекции. Оптическая ориентация осуществляется при поглощении полупроводником света с круговой поляризацией. Напомним, что квант электромагнитного излучения (фотон) имеет спин, равный +1, если вектор напряженности электрического поля вращается по часовой стрелке, и –1 в противоположном случае. При поглощении фотона и переходе электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости спин фотона прибавляется к полному моменту импульса электрона, изменяя его соответственно на +1 или –1. Это может привести в определенных условиях к различию в концентрации электронов в зоне проводимости со спином вдоль направления распространения света и с противоположным направлением.

Другим способом управления спиновой поляризацией является спиновая инжекция. Известно, что в ферромагнетиках существует спонтанная равновесная спиновая поляризация, При протекании тока между ферромагнетиком и немагнитным материалом через контакт происходит перенос спина. В результате в области немагнитного материала вблизи контакта создается избыточная концентрация электронов с ориентацией «спин вверх». Такое явление называется спиновой аккумуляцией. Это состояние является неравновесным для немагнитного проводника, поскольку в равновесном состоянии концентрации электронов со «спином вверх» и «спином вниз» равны. Процесс установления равновесного состояния должен приводить к релаксации спинов и уменьшению спиновой поляризации. Поскольку неравновесные электронные спины живут относительно долго (порядка наносекунд), спины успевают переместиться на значительное расстояние от границы с ферромагнетиком. Весь этот процесс очень напоминает процесс рекомбинации неосновных носителей при инжекции их через электронно-дырочный переход в полупроводнике.

Как уже отмечалось, огромное влияние на становление спинтроники оказал обнаруженный в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Было давно известно, что электрическое сопротивление материалов изменяется под действием магнитного поля. Относительное изменение сопротивления при наличии магнитного поля и при его отсутствии и называется магнетосопротивлением. В немагнитных проводниках, таких как медь или золото, влияние магнитного поля на сопротивление очень мало. В ферромагнитных материалах величина магнитосопротивления более заметна. Это объясняется тем, что в ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля имеются области спонтанной намагниченности – магнитные домены, внутри которых магнитные моменты параллельны. При включении магнитного поля, величина которого для каждого материала индивидуальна, эти микроскопические магнитные домены исчезают, и весь образец превращается в единый домен, т. е. намагничивается, что и приводит к изменению его электрического сопротивления. Однако величина магнетосопротивления в ферромагнитных материалах достигает всего лишь нескольких процентов. В случаях проявления эффекта ГМС уменьшение сопротивления под воздействием магнитного поля может достигать сотен процентов (при низких температурах).

Эффект ГМС был обнаружен в многослойных тонкопленочных структурах, составленных из чередующихся слоев немагнитного материала между противоположно намагниченными ферромагнитными материалами (рис. 3.61). Для создания таких структур используют различные комбинации материалов, например, железо-хром, кобальт-медь, пермаллой-серебро и др. Суммарный эффект зависит от количества слоев – он усиливается с ростом числа слоев и достигает своего максимума примерно для 100 слоев (при толщине каждого слоя в несколько нанометров).

Рис. 3.61. Многослойная структура из ферромагнитного и неферромагнитного материалов

при отсутствии магнитного поля (а) и при его наличии (б)

Эффект ГМС наблюдается, когда электрический ток пропускают как в плоскости слоев, так и перпендикулярно им. Рассмотрим для примера тонкопленочную структуру с плоскопараллельной геометрией протекающих токов. Ферромагнитные слои с противоположной намагниченностью могут быть получены осаждением в магнитных полях, имеющих противоположную ориентацию. В отсутствие магнитного поля сопротивление, измеряемое током, проходящим в плоскости слоев, будет самым большим, когда магнитные моменты в чередующихся слоях противоположно направлены. При этом электроны со спином, соответствующим намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположной намагниченностью, поскольку в нем отсутствуют приемлемые для них энергетические состояния. Это приводит к отражению электронов от границы таких слоев и вынуждает ток течь внутри узких каналов (рис. 3.62).

Рис. 3.62. К объяснению эффекта гигантского магнетосопротивления: АФМ – антиферромагнитная конфигурация слоев, ФМ – ферромагнитная конфигурация слоев

С увеличением напряженности внешнего магнитного поля магнетосопротивление постепенно уменьшается. Это связано с тем, что магнитное поле, которое имеет тенденцию выравнивать моменты магнитных параллельных слоев, должно преодолеть обменную связь, которая предпочитает антипараллельное расположение моментов (для данной толщины немагнитного слоя). Полное выстраивание магнитных моментов в одном направлении достигается только в области поля насыщения, равного по величине полю обменной связи. Это будет соответствовать минимальному сопротивлению структуры.

Кроме эффекта ГМС в спинтронике большое внимание уделяется другому эффекту – колоссальному магнетосопротивлению (КМС), открытому в 1994 году в манганите лантана. В отличие от ГМС здесь никаких слоистых структур создавать не требуется. Эффект наблюдается в сильных магнитных полях, достигая максимальных значений при напряженности поля на уровне единиц тесла. Явление получило свое название потому, что при определенных условиях его величина существенно превышает величину ГМС, достигая тысяч и десятков тысяч процентов. КМС обычно наблюдается в узком интервале температур вблизи температуры Кюри. Он наиболее изучен для манганитов лантана и редкоземельных элементов (R), типа R 1–x A x MnO 3 , где через A обозначены атомы K, Na, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb. Однако, в последнее время его наблюдали и для некоторых других сложных оксидов переходных металлов. Материалы с КМС могут быть использованы для создания датчиков магнитного поля и функциональных элементов спинтроники.

Важным направлением спинтроники является создание приборных структур, принцип действия которых основан на явлении магнитного туннельного перехода. Туннелирование между двумя по-разному намагниченными ферромагнитными слоями, разделенными тонким диэлектриком (обычно это оксид алюминия Al 2 O 3 толщиной менее 2 нм), предполагает зависимость туннельного тока от магнитного поля. В ферромагнитном материале энергия электронов со «спином вверх» и «спином вниз» различная, поэтому и вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных ферромагнитных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала.

Хотя эффект спин-зависимого туннелирования впервые был продемонстрирован еще в 1975 году, но для его реализации требовались температуры жидкого гелия, поэтому особого внимания на тот момент к нему не проявили. Ситуация изменилась в 1995 году, когда его удалось продемонстрировать при комнатной температуре. Поначалу, правда, спины в ферромагнитных слоях удавалось переключать с параллельного на антипараллельное состояние лишь для 12 – 18 % электронов, чего для практических устройств было не достаточно. Однако уже к концу 1990-х годов это соотношение удалось повысить до 70 %. К середине 2000-х годов новейшие технологии позволили добиться еще более высоких показателей, что открыло путь к коммерческому выпуску магниторезистивной оперативной памяти (MRAM).

MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, например, время выборки данных у MRAM-памяти может составлять 10 нс, что в пять раз меньше, чем у flash-памяти, а время записи порядка 2 нс, что на три порядка меньше, чем у flash-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти вдвое меньше, чем у flash- и DRAM-памяти. Принцип записи лог. 1 и лог. 0 в MRAM иллюстрирует рис. 3.63. Два слоя ферромагнитного металла разделены тонким слоем изолирующего материала (оксид алюминия или оксид магния). Вероятность туннелрования электронов через диэлектрический слой зависит от их ориентации спинов. В случае параллельной ориентации (верхний рисунок) происходит запись лог. 1, в случае антипараллельной (нижний рисунок) производится запись лог. 0.

Рис. 3.63. К объяснению работы магниторезистивной оперативной памяти

Одна из сложнейших задач при разработке спинтронных приборов – это контроль спиновой поляризации электронного тока. Чтобы полностью контролировать степень свободы спина в полупроводниках, желательно конструировать элементы спинтроники или приборы на их основе, которые могут эффективно инжектировать и распознавать электроны с определенным спином. Таким образом, практическое значение имеют полупроводниковые структуры с высоким коэффициентом спин-инжекции, большим временем спин-релаксации, спин-ориентацией, регулируемой напряжением на управляющем электроде (затворе), и высокой спин-чувствительностью для детектирования носителей заряда с определенным спином. Кроме того, спин-инжекция и спин-детектирование предоставляют возможность записи и считывания данных в полупроводниковых квантовых точках, которые являются необходимой составной частью твердотельных квантовых компьютеров.

Важным обстоятельством является то, что процесс переворота спина (поляризация) не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, поэтому процесс поляризации не сопровождается выделением тепла. Ожидается, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах энергии значительно меньшей, чем у обычных электронных элементов.

Перспективные направления развития спинтроники

Спин-электронные сенсоры позиционирования и движения . Сенсоры на основе эффекта GMR, используемые для определения величины и направления магнитного поля, нашли широкое применение в следующих областях: хранение и считывание информации, программируемые вентильные матрицы, авиационная электроника, электронное машинное управление и автомобильные активные системы безопасности. Например, мировой рынок автомобильных датчиков, с ежегодным ростом более 10%, является одним из самых быстро развивающихся, в настоящее время он достиг 8,5 млрд евро. В последние годы основными тенденциями развития мирового автопрома являются улучшение управления двигателем внутреннего сгорания (с целью уменьшения автомобильных выбросов), тормозной и противоскользящей системами, устройствами безопасности и т.д. Поскольку эти технологии стремительно развиваются, на первое место встает усовершенствование спиновых магнитных сенсоров: повышение чувствительности, стабильности, надежности и подавление шумов.

Спиновый диод . Идея спинового двухконтактного диода впервые была предложена Мэтьюусом. Диод состоит из пятислойной магнитной системы, в которой три ферромагнитных слоя разделены слоями парамагнетика. Одна из наиболее удачных попыток практической реализации спинового диода была осуществлена в 2004 г. В будущем планируется использовать спиновые диоды как элементарные ячейки MRAM-памяти.

Когерентная квантовая спинтроника . В более далекой перспективе находится квантовая когерентная спинтроника. Имеются в виду устройства, размеры которых настолько малы, что квантовая когерентность волновой функции электрона сохраняется поперек устройства, связывая входящие и выходящие электрические сигналы. Нанотехнологии достигли такого уровня, что сегодня можно создавать устройства с масштабом 1 нм. Типичным примером является туннельный диод (Patent Application No FR9904227, France).

Квантовый компьютинг . Исследователи предсказывают широкое использование разработок спинтроники в сфере квантового компьютинга. Считается, что следующим серьезным этапом развития спинтроники станут устройства, в которых информация будет передаваться не посредством спинов электронов, а с использованием сложных кубитовых пар. Например, многоконтактные спиновые устройства, которые могут быть основаны на потоках запутанных кубитов. Практически реализовать подобное устройство можно на базе спин-электронных транзисторов.

Потенциал спинтроники не исчерпывается уже разра-ботанными и освоенными технологиями, описанными выше. Несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся уже более двух десятков лет, существует очень много нерешенных научных и технических проблем. Например, сейчас для изменения намагниченности участка ферромагнетика используется магнитное поле. Так как мы умеем создавать магнитное поле только при помощи электрического тока (постоянные магниты не в счет), то встает проблема локализации этого магнитного поля в ограниченном участке пространства. Чем меньше этот участок, тем более высокую плотность хранения информации на магнитном носителе можно получить (конечно, остаются еще вопросы подбора соответствующих магнитных материалов). В лабораториях физики твердого тела (Цюрих) и Стэнфордского университета был поставлен эксперимент, который показывает возможность изменения намагниченности материала при помощи потока электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин поляризованы). При помощи фотоэмиссии из полупроводникового катода, вызванной поляризованным светом, был получен пучок спин поляризованных электронов. Этот пучок был пропущен через магнитную пленку толщиной несколько нанометров. При пролете электронов через пленку спин электронов изменяется (это явление называется прецессией ). Так как ничто в природе не проходит бесследно, то и спины электронов в магнитной пленке также изменяются, что и означает изменение намагниченности вещества. Если число пролетевших электронов сравнимо с количеством атомов вещества, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметно. Эффект может быть использован как для записи информации, так и для считывания (при меньшей интенсивности пучка электронов). Потенциально данная технология может обеспечивать скорости перемагничивания (то есть фактически чтения-записи информации) до десятков гигагерц, но до этого исследователям придется пройти

еще очень длинный путь.

Другой интересный эффект состоит в получении чисто спинового потока электронов без переноса заряда. В эксперименте были сформированы два встречных потока электронов с противоположно направленным спином. Этот удивительный эффект достигнут при помощи двух импульсных поляризованных лазеров, частота одного из которых вдвое меньше, чем другого. Таким образом, достигнута передача спинового заряда без наличия разности потенциалов. Пока это явление наблюдается на расстояниях порядка нескольких десятков нанометров, но дальнейшие исследования в этом направлении продолжаются.

Одна из проблем спинтроники связана с используемыми материалами. Дело в том, что для спинтроники необходимы ферромагнетики, магнитные свойства которых и вызывают к жизни разнообразные эффекты с участием спинов электронов. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют усиливать электрический ток в транзисторах - в металлах такой эффект невозможен. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, являющийся полупроводником . В Северо-Западной тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан новый полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде нанометровых пленок методом молекулярной эпитаксии. В глубоком вакууме пучки атомов в нужном соотношении направляются на кристаллическую поверхность, где формируют необходимую кристаллическую структуру.

Другой подобный материал - это эпитаксиальная пленка из чередующихся прослоек соединений галлия: GaSb,GaMn. Магнитные свойства данного полупроводника сохраняются вплоть до 130°С, этого достаточно для нужд современной техники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических соединений . В Калифорнийском университете (Риверсайд) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62°С вещество из прозрачного (в инфракрасном спектре) изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например, фотоники. Правда, рабочая температура перехода несколько высока для использования, но ученые надеются уменьшить ее вариацией состава вещества.

В университете штата Огайо был исследован пластик - тетрацианоэтанид ванадия . Несмотря на своюорганическую природу, он имеет и магнитные свойства,сохраняющиеся вплоть до 130°С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволитв будущем создавать дешевую пластиковую память.

Нанокомпозиты в виде металлических проводок в поликарбонате или оксиде алюминия. Поликарбонатная пленка подвергается воздействию тяжелых высокоэнергетических заряженных частиц в ядерном реакторе. Проходя через поликарбонат, заряженные частицы оставляют треки с нарушенной (т.е. другой, отличной от остального массива) структурой. Затем эти треки вытравливаются в концентрированном растворе щелочи и таким образом формируются однородные сквозные цилиндрические поры. Плотность пор определяется продолжительностью пребывания мембраны в реакторе. Выпускаются мембраны со стандартными значениями плотности пор 10 6 , 10 8 , 6 . 10 8 , 10 9 и 10 10 пор/см 2 . По диаметру поры могут быть получены в широком диапазоне от 10 до 300 нм в зависимости от времени облучения пленки, температуры и концентрации раствора, а также времени травления. Толщина мембран может составлять от единиц до сотен микрон, диаметр как правило 13 мм. Для электроосаждения нанопроволок также могут использоваться мембраны из анодированного алюминия. Получение структуры в виде многослойных и гранулированных нанопроволок осуществляется исключительно методом электролити-ческого осаждения в поры мембран (рис.) из одного электролита как в потенциостатическом, так и в гальваностатическом импульсных режимах. Перед электроосаждением в поры для обеспечения электрического контакта на одной из сторон мембраны напыляется слой золота ~0,01 мкм (рис.).

Рис. Схематические изображения поликарбонатной мембраны и отдельной многослойной нанопроволоки (слева). Геометрия нанесения подслоя золота на мембрану (справа).

В отличие от электроосаждения в условиях плоской геометрии, когда вся поверхность катода подвергается воздействию электролита, при электроосаждении нанопроволок воздействию электролита подвергается только часть поверхности мембраны, называемая активной или истинной площадью осаждения. Ее можно рассчитать, зная количество пор на всей площади мембраны и площадь одной поры:

Рис. Типичная токовая кривая роста нанопроволок

Увеличение тока после точки В свидетельствует о начале выхода пленки поверх пор. Это соответствует номинальной толщине около 3,8 мкм. После этого начинает происходить слияние проволок на поверхности, и над проволоками возникают полусферические шапки. Толщина слоя меди примерно 30 нм, а толщина сплава Со-Ni 40 нм.

Рис. Схема установки для магниторезистивных измерений (гигантского магнетосопротивления)

Для проведения магниторезистивных измерений необходимо наличие верхнего проводящего контакта. Это достигается за счет осаждения некоторого количества материала поверх мембраны. После заполнения пор осаждаемое вещество начинает разрастаться в виде полусферических чаш, которые затем сливаются друг с другом (рис.)

В случае, когда поле параллельно оси нанопроволок, их петли гистерезиса характерны для перемагничивания вдоль оси легкого намагничивания. Если же внешнее поле перпендикулярно оси проволоки, то в этом случае для поворота всех моментов в этом направлении требуются намного большие поля, и в результате получается петля, характерная для намагничивания вдоль трудной оси.

Структура, магнитные и магниторезистивные свойства нанопроволок спин-клапанного типа. Среди магнитных наноматериалов особое место занимают многослойные (или мультислойные) структуры. В большой степени это связано с обнаруженным в них эффектом гигантского изотропного магнитосопротивления. Исследование этого явления, а также попытки разработчиков различных устройств магнитной микроэлектроники повысить величину изменения электросопротивления на единицу магнитного поля привели к появлению нового, более сложного семейства многослойных пленочных структур так называемого “спин-клапанного” типа . Они представляют собой уже периодическое чередование не двух, а трех и более слоев с различными магнитными параметрами . В этом случае процесс их перемагничивания анизотропен. При изменении прилагаемого внешнего магнитного поля по направлению вектора намагниченности, предварительно намагниченного до насыщения магнитожесткого слоя в диапазоне, меньшем его коэрцитивной силы, магнитомягкий слой будет перемагничиваться в этом направлении в поле ниже его коэрцитивной силы. А в противоположном направлении – в поле, большем его коэрцитивной силы. Эта разница в полях перемагничивания низко- и высококоэрцитивных слоев в многослойной структуре в противоположных направлениях и есть суть “клапанного” эффекта. Состояние многослойной структуры, когда магнитные моменты магнитомягких и магнитожестких слоев антипараллельны, является неустойчивым. И малое поле противоположной направленности приводит к скачкообразному перемагничиванию низкокоэрцитивных слоев. Именно поэтому и может быть достигнута высокая чувствительность магниторезистивного элемента.

Еще одним вариантом повышения величины магниторезистивного эффекта является изготовление многослойной структуры в виде нанопроволок. Это достигается исключительно методом импульсного электролитического осаждения в поры наномембран. Для нанопроволок легко реализуется геометрия магниторезистивного эффекта, когда электрический ток перпендикулярен границам раздела слоев в много-слойной структуре, что невозможно для обычных многослойных пленок с плоской геометрией. В этом случае все электроны проводимости вынуждены пересекать магнитные слои с периодически антипараллельной направленностью их магнитных моментов и, следовательно, эффект их рассеяния будет больше по сравнению с обычными многослойными структурами. Основная трудность заключается в том, что при варьировании потенциала осаждения (либо катодной плотности тока D K) необходимо подобрать такие условия осаждения (прежде всего состав электролита и режимы осаждения), когда лишь только одним изменением их (или D K) будет достигаться достаточно большая разница в составе и кристаллической структуре магнитных слоев и, следовательно, будет существенно различаться и их коэрцитивная сила. Указанным условиям могут удовлетворять пленки CoFeP и CoW, в которых содержание фосфора и вольфрама является функцией плотности тока. И, например, при малой плотности тока (D K ~ 10-20 мА/см 2) содержание фосфора достигает ~20-25 ат.%. При этом пленки CoFeP 25 являются аморфными магнитомягкими, а при содержании фосфора ~5-10 ат % (D K 70 мА/см 2) они поликристаллические и, соответственно, магнитожесткие. Подобное справедливо и для системы кобальт-вольфрам.

Для пишущих и считывающих головой обычно используют эффект гигантского магнетосопротивления (GMR), квантово-механический эффект, который обеспечил огромную емкость сегодняшних жестких дисков. Использование GMR
обеспечивает плотность памяти гораздо выше 100 гигабит на квадратный дюйм. В то время как в современных жестких дисках магнитные домены ориентированы в плоскости, у следующего поколения жестких дисков они будут располагаться перпендикулярно. Техника перпендикулярной записи (Рис. , внизу) обеспечит более плотную упаковку информации. Но она потребует более чувствительных записывающих и считывающих головок, которые могут быть изготовлены за счет еще более сложного эффекта туннельного магнетосопротивления (TMR). В этом смысле
компьютерные жесткие диски можно рассматривать как продукт нанотехнологий.

Рис. Эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) широко используется в жестких дисках. Seagate Technology LLC (сверху). Плотность хранения данных может быть увеличена за счет изменения ориентации магнитных областей. Перпендикулярная запись
обеспечивает более высокую плотность запаиси. VDI Technologiezentrum GmbH (внизу)