Des orientations prometteuses pour le développement de la spintronique

Capteurs électroniques de positionnement et de mouvement Spin. Les capteurs GMR, utilisés pour détecter l'ampleur et la direction d'un champ magnétique, ont trouvé de nombreuses applications dans les domaines suivants : stockage et lecture d'informations, réseaux de portes programmables sur site, avionique, contrôle électronique des machines et systèmes de sécurité active automobile. Par exemple, le marché mondial des capteurs automobiles, avec une croissance annuelle de plus de 10 %, est l'un des plus dynamiques, atteignant actuellement 8,5 milliards d'euros. Ces dernières années, les principales tendances du développement de l'industrie automobile mondiale ont été l'amélioration du contrôle du moteur à combustion interne (afin de réduire les émissions des véhicules), des systèmes de freinage et d'antidérapage, des dispositifs de sécurité, etc. À mesure que ces technologies progressent rapidement, les améliorations des capteurs magnétiques de spin sont au premier plan : augmentation de la sensibilité, de la stabilité, de la fiabilité et de la suppression du bruit.

Diode de rotation. L'idée d'une diode de spin à deux bornes a été proposée pour la première fois par Mathews. La diode est constituée d'un système magnétique à cinq couches, dans lequel trois couches ferromagnétiques sont séparées par des couches paramagnétiques. L'une des tentatives les plus réussies de mise en œuvre pratique d'une diode de spin a été réalisée en 2004. À l'avenir, il est prévu d'utiliser des diodes de spin comme cellules élémentaires de la mémoire MRAM.

Spintronique quantique cohérente. À plus long terme, c’est la spintronique quantique cohérente. Il s'agit de dispositifs dont les dimensions sont si petites que la cohérence quantique de la fonction d'onde de l'électron est maintenue à travers le dispositif, couplant les signaux électriques entrants et sortants. La nanotechnologie a atteint un tel niveau qu'il est aujourd'hui possible de créer des dispositifs à l'échelle de 1 nm. Un exemple typique est une diode tunnel (demande de brevet n° FR9904227, France).

Informatique quantique. Les chercheurs prédisent une utilisation généralisée des développements de la spintronique dans le domaine de l’informatique quantique. On pense que la prochaine étape sérieuse dans le développement de la spintronique sera celle des dispositifs dans lesquels les informations seront transmises non pas par des spins électroniques, mais par des paires de qubits complexes. Par exemple, les dispositifs spin multi-broches, qui peuvent être basés sur des flux de qubits intriqués. En pratique, un tel dispositif peut être réalisé sur la base de transistors électroniques à spin.

Le potentiel de la spintronique ne se limite pas aux technologies déjà développées et maîtrisées décrites ci-dessus. Malgré le fait que les travaux dans ce sens se poursuivent depuis plus de deux décennies, de nombreux problèmes scientifiques et techniques restent non résolus. Par exemple, un champ magnétique est désormais utilisé pour modifier la magnétisation d’une section d’un ferromagnétique. Puisque l'on ne peut créer un champ magnétique qu'à l'aide du courant électrique (les aimants permanents ne comptent pas), le problème de la localisation de ce champ magnétique dans une zone limitée de l'espace se pose. Plus cette zone est petite, plus la densité de stockage d'informations sur un support magnétique peut être obtenue (bien entendu, des questions subsistent quant à la sélection des matériaux magnétiques appropriés). Dans les laboratoires de physique du solide (Zurich) et de l'Université de Stanford, une expérience a été réalisée qui montre la possibilité de modifier la magnétisation d'un matériau en utilisant un flux d'électrons avec un certain spin (ces électrons sont dits polarisés en spin). En utilisant la photoémission d'une cathode semi-conductrice provoquée par une lumière polarisée, un faisceau d'électrons polarisés en spin a été obtenu. Ce faisceau a traversé un film magnétique de plusieurs nanomètres d’épaisseur. Lorsque des électrons traversent le film, leur spin change (ce phénomène est appelé précession ). Puisque rien dans la nature ne passe sans laisser de trace, les spins des électrons dans le film magnétique changent également, ce qui signifie un changement dans la magnétisation de la substance. Si le nombre d'électrons transmis est comparable au nombre d'atomes de la substance, alors le changement dans la magnétisation du film sera très perceptible. L'effet peut être utilisé à la fois pour enregistrer des informations et pour les lire (à une intensité plus faible du faisceau électronique). Potentiellement, cette technologie peut fournir des vitesses d'inversion de magnétisation (c'est-à-dire de lecture et d'écriture d'informations) allant jusqu'à des dizaines de gigahertz, mais avant cela, les chercheurs devront passer par

encore un très long chemin à parcourir.

Un autre effet intéressant est la production d’un flux électronique de spin pur sans transfert de charge. Dans l’expérience, deux contre-flux d’électrons avec des spins dirigés de manière opposée se sont formés. Cet effet étonnant a été obtenu à l'aide de deux lasers polarisés pulsés, dont la fréquence de l'un est la moitié de celle de l'autre. Ainsi, le transfert de charge de spin a été réalisé sans différence de potentiel. Jusqu'à présent, ce phénomène a été observé à des distances de l'ordre de plusieurs dizaines de nanomètres, mais les recherches dans ce sens se poursuivent.

L’un des problèmes de la spintronique concerne les matériaux utilisés. Le fait est que la spintronique nécessite des ferromagnétiques dont les propriétés magnétiques donnent lieu à divers effets impliquant les spins électroniques. Mais les ferromagnétiques sont des métaux et l’électronique moderne est basée sur des semi-conducteurs. Ce sont les propriétés des semi-conducteurs qui permettent d'augmenter le courant électrique dans les transistors - cet effet est impossible dans les métaux. Par conséquent, afin de créer un dispositif efficace utilisant à la fois le spin et la charge de l’électron, il est nécessaire ferromagnétique, qui est un semi-conducteur . Un nouveau semi-conducteur a été créé au Pacific Northwest National Laboratory (États-Unis) qui ne perd pas ses propriétés magnétiques même à température ambiante. Cette substance est oxyde de titane avec mélange de cobalt et est cultivé sous forme de films nanométriques par épitaxie moléculaire. Dans le vide profond, des faisceaux d'atomes dans le rapport requis sont dirigés vers la surface cristalline, où ils forment la structure cristalline nécessaire.

Un autre matériau similaire est le film épitaxial constitué de couches alternées de composés du gallium : GaSb, GaMn. Les propriétés magnétiques de ce semi-conducteur sont conservées jusqu'à 130°C, ce qui est suffisant pour les besoins de la technologie moderne.

Une autre direction prometteuse est utilisation de composés organiques . À l’Université de Californie (Riverside), ils ont synthétisé un composé qui modifie simultanément ses propriétés optiques, électriques et magnétiques en fonction de la température. À une température d’environ 62 °C, la substance se transforme d’un isolant paramagnétique transparent (dans le spectre infrarouge) en un conducteur diamagnétique opaque. Ces propriétés uniques le rendent attrayant non seulement pour la spintronique, mais également pour d’autres domaines prometteurs, par exemple la photonique. Certes, la température de fonctionnement de la transition est quelque peu élevée, mais les scientifiques espèrent la réduire en faisant varier la composition de la substance.

Recherche à l'Université d'État de l'Ohio plastique - tétracyanoéthanide de vanadium . Malgré sa nature organique, il possède également des propriétés magnétiques qui persistent jusqu'à 130°C. De plus, le plastique est beaucoup plus avancé technologiquement que les autres matériaux, ce qui permettra à l’avenir de créer une mémoire plastique bon marché.

Nanocomposites sous forme de fils métalliques en polycarbonate ou en oxyde d'aluminium. Un film de polycarbonate est exposé à des particules lourdes chargées de haute énergie dans un réacteur nucléaire. En passant à travers le polycarbonate, les particules chargées laissent des traces avec une structure perturbée (c'est-à-dire différente, différente du reste du réseau). Ensuite, ces traces sont gravées dans une solution alcaline concentrée et des pores cylindriques uniformes se forment ainsi. La densité des pores est déterminée par la durée pendant laquelle la membrane reste dans le réacteur. Les membranes sont produites avec des densités de pores standard de 10 6, 10 8, 6. 10 8, 10 9 et 10 10 pores/cm2. Le diamètre des pores peut être obtenu dans une large gamme allant de 10 à 300 nm, en fonction du temps d'irradiation du film, de la température et de la concentration de la solution, ainsi que du temps de gravure. L'épaisseur des membranes peut aller de quelques unités à des centaines de microns, le diamètre est généralement de 13 mm. Les membranes en aluminium anodisé peuvent également être utilisées pour l’électrodéposition de nanofils. La réalisation d'une structure sous forme de nanofils multicouches et granulaires est réalisée exclusivement par la méthode de dépôt électrolytique dans les pores de la membrane (Fig.) à partir d'un seul électrolyte en mode impulsionnel potentiostatique et galvanostatique. Avant électrodéposition, une couche d'or ~0,01 μm est déposée dans les pores pour assurer le contact électrique sur une face de la membrane (Fig.).

Riz. Illustrations schématiques de la membrane en polycarbonate et du nanofil multicouche individuel (à gauche). Géométrie de l'application d'une sous-couche d'or sur une membrane (à droite).

Contrairement à l'électrodéposition planaire, où toute la surface de la cathode est exposée à l'électrolyte, dans l'électrodéposition de nanofils, seule une partie de la surface de la membrane, appelée zone de dépôt active ou véritable, est exposée à l'électrolyte. Il peut être calculé en connaissant le nombre de pores sur toute la surface de la membrane et la surface d'un pore :

Riz. Courbe de courant typique de la croissance des nanofils

Une augmentation du courant après le point B indique le début du film émergeant au-dessus des pores. Cela correspond à une épaisseur nominale d'environ 3,8 µm. Après cela, les fils commencent à fusionner à la surface et des calottes hémisphériques apparaissent au-dessus des fils. L'épaisseur de la couche de cuivre est d'environ 30 nm et l'épaisseur de l'alliage Co-Ni est de 40 nm.

Riz. Schéma d'installation pour mesures magnétorésistives (magnétorésistance géante)

Pour réaliser des mesures magnétorésistives, la présence d'un contact conducteur supérieur est requise. Ceci est réalisé en déposant un peu de matériau sur la membrane. Après avoir rempli les pores, la substance déposée commence à se développer sous la forme de bols hémisphériques, qui fusionnent ensuite les uns avec les autres (Fig.)

Dans le cas où le champ est parallèle à l'axe des nanofils, leurs boucles d'hystérésis sont caractéristiques d'une inversion de magnétisation le long de l'axe de magnétisation facile. Si le champ externe est perpendiculaire à l'axe du fil, alors dans ce cas, des champs beaucoup plus importants sont nécessaires pour faire tourner tous les moments dans cette direction, et le résultat est une boucle caractéristique de magnétisation le long d'un axe difficile.

Structure, propriétés magnétiques et magnétorésistives des nanofils à valve de spin. Parmi les nanomatériaux magnétiques, les structures multicouches (ou multicouches) occupent une place particulière. Cela est dû en grande partie à l’effet de la magnétorésistance isotrope géante qui y est découverte. L'étude de ce phénomène, ainsi que les tentatives des développeurs de divers dispositifs de microélectronique magnétique pour augmenter l'ampleur du changement de résistance électrique par unité de champ magnétique, ont conduit à l'émergence d'une nouvelle famille plus complexe de films multicouches. constructions soi-disant type « valve de rotation ». Ils représentent déjà alternance périodique non pas de deux, mais de trois couches ou plus avec des paramètres magnétiques différents. Dans ce cas, le processus d'inversion de leur magnétisation est anisotrope. Lorsque le champ magnétique externe appliqué change dans la direction du vecteur d'aimantation, préalablement magnétisé jusqu'à saturation de la couche magnétique dure dans une plage inférieure à sa force coercitive, la couche magnétique douce sera remagnétisée dans cette direction dans un champ inférieur à sa force coercitive. . Et dans la direction opposée – dans un champ supérieur à sa force coercitive. Cette différence dans les champs d'inversion de magnétisation des couches à faible et haute coercitivité dans une structure multicouche dans des directions opposées est l'essence de l'effet « valve ». L’état d’une structure multicouche, lorsque les moments magnétiques des couches magnétiques douces et dures sont antiparallèles, est instable. Et un petit champ de direction opposée conduit à une inversion brutale de l’aimantation des couches à faible coercitivité. C'est pourquoi une sensibilité élevée de l'élément magnétorésistif peut être obtenue.

Une autre option pour augmenter l’ampleur de l’effet magnétorésistif consiste à fabriquer une structure multicouche sous forme de nanofils. Ceci est réalisé exclusivement par dépôt électrolytique pulsé dans les pores des nanomembranes. Pour les nanofils, la géométrie de l'effet magnétorésistif est facilement réalisée lorsque le courant électrique est perpendiculaire aux interfaces entre couches dans une structure multicouche, ce qui est impossible pour les films multicouches classiques à géométrie plate. Dans ce cas, tous les électrons de conduction sont obligés de traverser des couches magnétiques avec une direction périodiquement antiparallèle de leurs moments magnétiques et, par conséquent, l'effet de leur diffusion sera plus important que celui des structures multicouches conventionnelles. La principale difficulté est que lors de la variation du potentiel de dépôt (ou densité de courant cathodique D K), il est nécessaire de sélectionner de telles conditions de dépôt (principalement la composition de l'électrolyte et les modes de dépôt) alors qu'en les modifiant (ou D K) une différence suffisamment grande La composition sera atteinte et la structure cristalline des couches magnétiques et, par conséquent, leur force coercitive différeront également de manière significative. Ces conditions peuvent être remplies par les films CoFeP et CoW, dans lesquels la teneur en phosphore et en tungstène est fonction de la densité de courant. Et, par exemple, à faible densité de courant (D K ~ 10-20 mA/cm 2), la teneur en phosphore atteint ~20-25 at.%. Dans ce cas, les films CoFeP 25 sont amorphes magnétiquement doux et avec une teneur en phosphore d'environ 5 à 10 at % (D K 70 mA/cm 2 ), ils sont polycristallins et, par conséquent, magnétiquement durs. Il en va de même pour le système cobalt-tungstène.

Pour ceux qui écrivent et lisent avec leur tête, ils utilisent généralement effet de magnétorésistance géante (GMR), un effet mécanique quantique qui fournit l'énorme capacité des disques durs d'aujourd'hui. Utiliser GMR
fournit des densités de mémoire bien supérieures à 100 gigabits par pouce carré. Alors que les disques durs modernes ont des domaines magnétiques orientés dans un plan, la prochaine génération de disques durs les aura orientés perpendiculairement. La technique d’enregistrement perpendiculaire (Fig. ci-dessous) fournira un conditionnement plus dense des informations. Mais cela nécessitera des têtes d’écriture et de lecture plus sensibles, qui peuvent être fabriquées en utilisant l’effet de magnétorésistance tunnel (TMR) encore plus complexe. En ce sens
Les disques durs des ordinateurs peuvent être considérés comme un produit de la nanotechnologie.

Riz. L'effet de magnétorésistance géante (GMR) est largement utilisé dans les disques durs. Seagate Technology LLC (en haut). La densité de stockage des données peut être augmentée en modifiant l'orientation des régions magnétiques. Enregistrement perpendiculaire
offre une densité de stockage plus élevée. VDI Technologiezentrum GmbH (ci-dessous)

Rien qu'au cours du mois de février 2013, les médias informatiques ont produit toute une série de reportages très remarquables sur les réalisations dans le domaine de la spintronique. Il s'agit d'un nouveau type fondamentalement différent de dispositifs électroniques qui ne reposent pas sur la charge électrique des particules porteuses, mais sur leur spin - une propriété quantique inhérente aux particules, dont le développement promet une véritable révolution dans la technologie informatique.

Voilà à quoi ressemble, à première vue, quelques-unes des dernières nouvelles en matière de spintronique.

Deux universités allemandes, Mayence et Kaiserlautern, qui ont mené à bien des recherches sur la création d'une puce mémoire spintronique basée sur les composés dits de Heusler, ont reçu une subvention substantielle de l'État d'un montant de 3,8 millions d'euros - pour mettre rapidement en œuvre les technologies développées. au stade de la production industrielle de masse.

Des scientifiques de l'Université britannique de Cambridge ont réussi à combiner dans leur développement deux des domaines de recherche les plus avancés dans le domaine de l'électronique : les puces 3D et la spintronique. Grâce à cela, ils ont pu créer et démontrer un prototype du « premier processeur 3D spintronique au monde » (les citations sont nécessaires ici, car en fait il s'agit loin d'un processeur à part entière, mais le succès créatif des chercheurs ne peut être douté).

Des spécialistes de l'Université de Göttingen - toujours en Allemagne - ont réussi à mettre au point et à synthétiser une molécule de matière organique artificielle capable de jouer le rôle d'une cellule mémoire spintronique stable. À ce niveau de miniaturisation, un dispositif de mémoire spintronique basé sur des matériaux organiques peu coûteux pourrait stocker environ un pétaoctet de données (mille téraoctets ou un million de gigaoctets) sur une puce d'environ un pouce de taille.

Si l'on ajoute à ce même paquet d'informations quelques nouvelles très récentes et très impressionnantes - sur les succès d'autres centres de recherche aux États-Unis, au Japon et dans d'autres pays, qui ont déjà rapproché les technologies spintroniques de la phase de production industrielle, alors cela devient évident : de grands changements sont effectivement à venir.

Eh bien, afin de mieux comprendre quel type de technologie de l'information remplace l'électronique à semi-conducteurs conventionnelle, il est logique d'examiner de plus près les caractéristiques de la spintronique. Pourquoi cette technologie est-elle si attractive, quels sont les problèmes les plus difficiles dans son développement et comment, finalement, nous parvenons à contourner et à surmonter ces problèmes...

⇡ Alternative naturelle

Parmi les experts, on entend souvent l'opinion selon laquelle les retards évidents dans l'arrivée de la spintronique tant attendue dans nos vies sont principalement dus aux progrès extrêmement stables et réussis dans le domaine des technologies traditionnelles des semi-conducteurs. Autrement dit, l’heure des nouvelles technologies n’est pas venue uniquement parce que les anciennes existent toujours.

La loi empirique de Moore, comme vous le savez, établit une règle qui n'est en aucun cas prouvable, mais qui fonctionne régulièrement depuis plus d'un demi-siècle. Grâce aux efforts des scientifiques et des ingénieurs, le nombre d'éléments d'un microcircuit typique, c'est-à-dire les performances des puces, continue régulièrement de doubler environ tous les ans et demi.

La raison pour laquelle cela se produit est inconnue. Mais tout le monde comprend que cela ne peut pas durer indéfiniment. Car la conception actuelle des puces évolue rapidement vers ses limites physiques. Ou alors, tous les problèmes technologiques connus - avec la lithographie, les matériaux, le refroidissement - se rapprochent rapidement d'un état où les surmonter n'est pas absolument impossible, mais s'avère trop coûteux et inefficace.

Bref, d’une part, il faut clairement quelque chose de différent. D’un autre côté, on comprend depuis longtemps exactement à quoi ressemblera presque certainement cette autre chose.

La présence d'une propriété spéciale appelée spin dans les particules de matière - généralement illustrée par des analogies avec l'axe de rotation d'une toupie ou les deux pôles d'une aiguille magnétique - a été établie dès les premiers jours de la mécanique quantique. Et comme le spin quantique d'un électron ne prend que deux valeurs possibles, classiquement appelées « spin-up » et « spin-down », un potentiel informatique très prometteur a été remarqué dans cette conception il y a longtemps. En fait, dans la nature, il existe un support d'informations binaires tout fait qui code soit 1, soit 0 dans le sens de rotation.

Et le plus remarquable est que nous parlons du même électron qui figurait à l’origine dans les fondements et au cœur de la révolution microélectronique. Presque tous les microcircuits semi-conducteurs sont construits sur des transistors dont le rôle principal dans le fonctionnement est joué par le mouvement des électrons. Plus précisément, le mouvement des charges électriques inhérentes aux électrons. Alors que le spin électronique - découvert il y a près de 90 ans - est en fait complètement ignoré dans l'industrie des semi-conducteurs...

Cependant, puisque tout le monde s’accorde sur le fait que la loi de Moore doit continuer à fonctionner, la technologie sous le nom général de spintronique apparaît désormais comme l’alternative la plus naturelle et en même temps la plus progressiste à la microélectronique conventionnelle. Ce nom est le plus souvent déchiffré comme SPIN TRansport electrONICS, c'est-à-dire « électronique basée sur le transfert de spin ».

La masse d’avantages et de bénéfices des nouvelles technologies augmente de jour en jour. Parmi les plus importantes figurent la rapidité et l’efficacité. Après tout, le spin d’un électron peut passer d’un état à un autre en beaucoup moins de temps qu’il n’en faut pour déplacer une charge le long du circuit, et cela avec beaucoup moins d’énergie. De plus, lors des transferts de rotation, l’énergie cinétique du support ne change pas, ce qui signifie que presque aucune chaleur n’est libérée.

Ensemble, toutes ces caractéristiques de la technologie permettent de créer, sur la base de courants de spin et de spin (flux de spins électroniques de même polarité), des transistors, des cellules logiques et mémoires significativement nouveaux qui remplaceront les transistors conventionnels dans les circuits intégrés. Et cela, à son tour, nous permettra de continuer à suivre la tendance à la miniaturisation de l’électronique.

Parallèlement au développement de cette technologie, il s’avère que la spintronique ouvre également la voie à la création de types de dispositifs complètement nouveaux. Comme les diodes électroluminescentes (LED), qui produisent une lumière polarisée circulairement vers la gauche ou la droite, très utile pour les applications dans le domaine de la protection, du codage et de la densification des communications optoélectroniques. Si l’on regarde un peu plus loin dans l’avenir, il s’avère que l’émergence de tels dispositifs spintroniques pouvant être utilisés comme qubits, c’est-à-dire les éléments de conception de base des ordinateurs quantiques, a déjà commencé.

Mais pour que la révolution spintronique se produise dans l’industrie des semi-conducteurs, il est nécessaire de trouver les composants optimaux de la technologie, que les chercheurs recherchent depuis une décennie. Généralement, il y a trois tâches principales :

1. des méthodes pour injecter (c'est-à-dire « injecter ») des états de spin dans un circuit ;
2. manipulation de spin à l'intérieur du circuit ;
3. détection des états de spin des électrons après traitement.

Il est hautement souhaitable de résoudre tous ces problèmes dans un environnement semi-conducteur, car ces matériaux resteront très probablement la principale base physique de l'électronique dans un avenir proche.

La manipulation du spin des électrons est considérée comme une tâche relativement simple et peu sophistiquée (puisque le spin, comme l'aiguille d'une boussole, réagit de manière très sensible à la commutation du champ magnétique). Mais créer des injecteurs et des détecteurs fiables pour les spins fragiles dans des applications pratiques de production de masse reste un ensemble de problèmes gigantesques.

⇡ Site d'essais et zone de décollage

Afin de rendre plus clair l’état général des choses en spintronique, il est nécessaire de souligner que la manipulation du spin électronique est aujourd’hui une activité importante et développée. Mais seulement en dehors de l’industrie des semi-conducteurs. En fait, les dispositifs spintroniques à base de métal sont désormais omniprésents – dans les disques durs de presque tous les ordinateurs de la planète.

Fin 1988, il a été découvert que le flux d'électrons polarisés en spin dans une structure de revêtement en couches (deux fines couches d'un ferromagnétique séparées par une couche de métal non magnétique) pouvait être considérablement modifié en passant à la polarité opposée de un champ magnétique externe. Cet effet, appelé GMR, ou magnétorésistance géante, a permis de créer des têtes magnétiques beaucoup plus sensibles et, par conséquent, de réduire la taille des domaines magnétiques codant les données binaires sur les plaques. En d’autres termes, la capacité d’information des disques durs magnétiques a considérablement augmenté.

La manipulation des spins – le transfert de spins électroniques entre deux métaux – est également au cœur de la MRAM, mémoire vive magnétorésistive. C'est-à-dire un nouveau type de périphériques de stockage informatique qui stockent des informations sans alimentation électrique.

La physique du fonctionnement de la MRAM est basée sur un effet qui rappelle quelque peu le GMR et connu sous le nom de magnétorésistance tunnel (TMR). Ici, deux couches de métal ferromagnétique sont séparées par une fine couche de matériau isolant tel que l'oxyde d'aluminium ou l'oxyde de magnésium.

Si dans le GMR, il y a un lent mouvement des électrons polarisés en spin d'une couche ferromagnétique à une autre en raison de la diffusion classique, alors dans le modèle TMR, il y a une transition tunnel purement quantique à travers la couche de séparation (un processus classiquement interdit dans lequel une particule passe à travers une barrière de potentiel dépassant son énergie cinétique).

Ces types de dispositifs sont appelés jonctions tunnel magnétiques, ou MTJ (jonctions tunnel magnétiques). La principale caractéristique de cet effet est que l’effet tunnel – et donc le transfert de spin à travers la barrière – ne peut se produire que si le spin de la particule est « correctement » orienté.

Bien que l’effet tunnel dépendant du spin ait été démontré pour la première fois en 1975, comme la plupart des phénomènes quantiques, il ne fonctionnait qu’à de très basses températures. Ce n’est qu’en 1995 qu’il a été démontré que cela était possible à température ambiante.

Cependant, au début, il était possible de faire passer les spins alignés des particules dans les couches ferromagnétiques d'un état parallèle à un état antiparallèle pour seulement 12 à 18 % des électrons, ce qui est encore loin d'être suffisant pour des dispositifs pratiques. Cependant, à la fin des années 1990, une réflexion intensive entre les promoteurs et des investissements financiers appropriés ont permis de trouver une solution au problème : le ratio souhaité a été porté à 70 %.

De plus, au milieu des années 2000, les dernières technologies fournissant des interfaces planaires d'épaisseur atomique entre les couches de métal et d'oxyde ont permis d'atteindre des valeurs TMR de l'ordre de 400 % - grâce à l'effet spécial du tunneling cohérent.

Le résultat fut que des matrices de mémoire MRAM basées sur la magnétorésistance tunnel ont été mises en production et vendues avant la fin de la décennie. Ainsi, dans un avenir proche, à mesure que la technologie deviendra moins chère, la MRAM permettra de fabriquer des ordinateurs domestiques capables de s’allumer et de s’éteindre instantanément. Heureusement, l’état du système sera stocké dans une mémoire rapide et non volatile.

⇡ Injecteurs et détecteurs

Les détails de l’histoire précédente sur la mémoire spintronique étaient nécessaires pour cette raison. Les points clés de cette histoire - des spécificités de la technologie à la trajectoire générale de sa transformation d'un échantillon de démonstration à un produit fabriqué en série - sont très similaires au parcours de la spintronique jusqu'aux puces semi-conductrices.

La différence la plus importante est peut-être que l’effet TMR repose sur un grand nombre d’électrons qui ont l’état de spin souhaité et le maintiennent pendant les transitions à travers les interfaces entre les métaux ferromagnétiques et les oxydes métalliques isolants.

Eh bien, pour que les dispositifs spintroniques à semi-conducteurs deviennent possibles, il est nécessaire d'obtenir essentiellement le même comportement des électrons - mais uniquement via des interfaces formées entre le semi-conducteur et le matériau agissant comme un injecteur de spin ou un détecteur de spin.

Le silicium et l'arséniure de gallium étant les deux semi-conducteurs les plus utilisés dans l'industrie, le principal défi pour les développeurs est de trouver des matériaux polarisés en spin (substances dans lesquelles la majorité des spins des électrons sont alignés dans une direction donnée) qui peuvent être efficacement combinés avec eux.

L’histoire de la longue et difficile recherche de matériaux de ce genre est encore loin d’être écrite. Bien entendu, nous pourrions parler ici de plusieurs approches différentes, utilisées avec plus ou moins de succès dans de nombreux laboratoires du monde entier pour résoudre ce problème des plus difficiles. Mais il vaut probablement mieux ignorer ce sujet pour le moment.

Car à la fin de la première décennie du 21e siècle, le résultat de toutes les recherches sur l’introduction de la spintronique dans l’industrie des microcircuits ressemblait à ceci. Malgré de nombreux succès locaux, en général, personne n'a été en mesure de trouver des matériaux appropriés (semi-conducteurs ferromagnétiques) qui fonctionnent à température ambiante et qui conviennent à une utilisation dans des dispositifs spintroniques à semi-conducteurs pratiques...

Mais malgré un résultat aussi lamentable, cela ne signifie pas du tout que les progrès se sont arrêtés.

⇡ Composés Geisler

Un événement extrêmement important pour l'histoire de la spintronique s'est produit à l'été 2010, lorsque la découverte des physiciens de l'université allemande de Mayence a été publiée dans la revue Nature. Cette université a longtemps eu la réputation d'être l'un des principaux centres mondiaux de recherche sur les composés dits de Heusler (nous reviendrons plus loin sur les propriétés spécifiques de ces matériaux).

Grâce à la nouvelle découverte de scientifiques qui ont découvert un état quantique très particulier de la matière dans les composés de Heusler - appelé « isolant topologique » - de nouvelles perspectives merveilleuses pour le développement des technologies spintroniques se sont également ouvertes. Et pas seulement dans le domaine des dispositifs de mémoire, mais aussi pour les puces semi-conductrices, les nouvelles batteries de puissance et de nombreuses autres applications intéressantes.

Quels sont ces matériaux Geisler ?

Tout d’abord, il convient de noter qu’en général, le nom de famille allemand Heusler doit être lu comme Heusler. Cependant, selon la tradition russe séculaire, les noms et noms étrangers sont prononcés à notre manière. Le poète connu dans le monde sous le nom de Heine s'appelle Heine dans notre pays. Nous appelons la Baie d'Hudson Hudson. Pour la même raison, l'ingénieur-scientifique Friedrich Heusler, qui a découvert au début des années 1900 les propriétés inhabituelles des alliages de métaux ordinaires, est encore communément appelé en Russie à l'ancienne - Heusler.

Depuis de nombreuses années, les matériaux de Geisler font l'objet de recherches scientifiques pour la raison suivante. Étant des composés chimiques relativement simples de trois éléments de base, les composés Heusler peuvent avoir une grande variété de caractéristiques physiques différentes.

Ainsi, la spécificité la plus connue de ces composés est qu’ils présentent des caractéristiques autres que celles que l’on attend naturellement des éléments qui les composent. Le premier composé de Geisler, par exemple, était fabriqué à partir d'éléments non magnétiques : cuivre, manganèse et aluminium. Cependant, leur alliage Cu 2 MnAl se comporte comme un ferromagnétique même à température ambiante. De même, lorsque trois métaux sont combinés dans une autre combinaison, le résultat peut être un semi-conducteur.

De manière un peu plus détaillée, les composés Heusler sont des matériaux avec une structure de composition très générale, exprimée par la formule X2YZ (où X, Y sont des métaux de transition et Z sont des éléments des groupes III-V du tableau périodique). Puisque chacun des éléments X, Y, Z peut être choisi parmi environ 10 candidats différents, le nombre total de matériaux Heusler possibles est approximativement estimé à environ 1 000 (en plus, il existe ce que l'on appelle les « demi-Heusler », décrits par le XYZ formule et possédant également une gamme de propriétés intéressantes) .

Grâce à la structure simple et flexible du noyau, les propriétés souhaitées des composés Heusler peuvent être ajustées en ajustant leur composition. En d’autres termes, les chercheurs disposent d’une classe très large de substances faciles à fabriquer et souvent constituées de composants accessibles au public relativement peu coûteux, mais permettant en même temps d’obtenir des matériaux aux propriétés ferromagnétiques ou semi-conductrices très exotiques.

Grâce à cela notamment, les composés Heusler sont désormais considérés comme un matériau très prometteur pour la fabrication de cellules solaires et autres générateurs thermoélectriques capables de convertir directement la chaleur en électricité. Par exemple, sans déplacer les pièces structurelles, produisez de l'électricité à partir des processus de génération de chaleur collatérale des machines et des appareils.

Lorsqu'au milieu des années 2000, les premiers théoriciens, puis bientôt les expérimentateurs, ont découvert dans la nature un état complètement nouveau de la matière appelé isolant topologique, il est devenu clair au bout d'un certain temps qu'ici aussi, les composés de Heusler se révélaient être un matériau extrêmement utile.

Au cours des six ou sept dernières années, les isolants topologiques, ou TI, sont devenus un sujet de recherche très brûlant dans le domaine de la physique du solide et de la science des matériaux. La principale propriété caractéristique du TI est le fait que, bien que ces matériaux soient en réalité des isolants ou des semi-conducteurs, leurs surfaces se comportent comme un métal conducteur - mais le métal est loin d'être ordinaire. Comme dans les supraconducteurs, les électrons du TI se déplacent le long des surfaces sans interagir avec leur environnement, car ils se trouvent dans un état quantique de « protection topologique » jusqu’alors inconnu.

Dans le même temps, une autre propriété du TI contraste fortement avec la physique des supraconducteurs. Dans les isolants topologiques, il n'y a pas un, mais deux courants à la surface qui n'interagissent pas entre eux - un pour chacune des directions de spin, qui circulent dans des directions opposées.

Et il est probablement clair que ces deux courants de spin stables, qui ne sont pas affectés par des défauts structurels ou une contamination du matériau, semblent avoir été créés pour être utilisés en spintronique (ainsi que dans d'autres applications de la science de l'information quantique - comme l'informatique quantique). ordinateurs).

Ainsi, à partir de ces seules considérations, on peut imaginer à quel point un intérêt puissant et même, pourrait-on dire, une violente excitation se sont manifestés dans la communauté scientifique lorsqu'il s'est avéré que les matériaux de Heisler, étudiés et maîtrisés depuis longtemps par les scientifiques, possédaient précisément ces remarquables Propriétés du TE.

Il y a plusieurs raisons à un tel enthousiasme.

Premièrement, l’intérêt porté aux composés Geisler est dû à leur capacité à présenter ce que les experts appellent un caractère « semi-métallique ». Le terme « caractère semi-métallique » fait référence au fait qu'un matériau donné est capable de fournir simultanément un comportement métallique pour les électrons avec une composante de spin (comme les électrons en rotation) et un comportement isolant pour une autre orientation de spin (comme les électrons en rotation vers le bas). ). Dans le même temps, les matériaux peuvent démontrer un niveau de polarisation de spin de 100 %, ce qui en fait des candidats idéaux pour les polariseurs de spin (injecteurs) ou, à l'inverse, pour les détecteurs de spin.

Deuxièmement, les composés Geisler ne constituent pas seulement une très grande classe de matériaux, comptant plus de 1 000 représentants. Il contient - selon les calculs - plus de 50 composés qui présentent des caractéristiques distinctes d'isolants topologiques.

Cela suit également « troisièmement » : grâce à une telle diversité, il devient désormais possible non seulement de sélectionner ceux souhaités, mais aussi de développer des effets physiques complètement nouveaux. Il est déjà clair que ces matériaux étant composés de trois éléments, ils peuvent certainement offrir un large éventail d'autres propriétés intéressantes en plus de l'état quantique de la protection topologique des surfaces.

En particulier, il devient désormais possible de combiner simultanément plusieurs états quantiques inhabituels dans un même matériau, lorsque, par exemple, la supraconductivité et une surface topologique interagissent les unes avec les autres. Et cela ouvre la voie à des caractéristiques complètement nouvelles qui n’ont pas encore été découvertes expérimentalement, dont certaines ont déjà été prédites théoriquement…

Quatrièmement et enfin, le développement de nouveaux composés Heusler n'est en aucun cas la seule approche dans ce domaine pour générer les propriétés souhaitées d'un matériau. Une autre alternative prometteuse est la modification de matériaux déjà connus, car ils peuvent eux aussi être structurés pour correspondre aux caractéristiques souhaitées. De plus, un tel « remodelage » peut à terme également générer des matériaux pouvant être considérés comme nouveaux.

L’implantation ionique est l’une des procédures typiques de modification de matériaux bien développés. Dans cette opération, un échantillon d'un matériau standard est traité avec un faisceau d'ions, qui produisent des modifications dans le réseau cristallin et restent intégrés dans la structure du matériau sous forme d'additifs. Après cela, les nouvelles propriétés du matériau sont le résultat de deux facteurs à la fois : les changements dans la structure provoqués par le « bombardement » et la présence de nouveaux atomes dans la structure.

En résumant toutes ces découvertes importantes liées spécifiquement à la spintronique, nous pouvons déjà affirmer avec certitude que les composés de Heusler sont destinés à jouer ici un rôle clé. Car il est clair que ces matériaux permettent de surmonter de manière totalement nouvelle les obstacles connus qui empêchent la combinaison des ferromagnétiques conventionnels avec les technologies industrielles standards de l’industrie des semi-conducteurs.

⇡ Spintronique en 3D

Les matériaux Heusler constituent sans aucun doute une voie extrêmement prometteuse pour de nouveaux progrès. Mais afin de ne pas créer la fausse impression que c’est aujourd’hui presque la seule voie de développement de la spintronique, il serait utile de passer en revue d’autres développements intéressants. Comme, par exemple, la spintronique basée sur des matériaux organiques. Ou mémoire de piste spintronique (mémoire de piste magnétique, MRM). Ou, enfin, des sources d’énergie spintroniques basées sur des jonctions tunnel magnétiques.

Cependant, la longueur de l'article n'est pas flexible, c'est pourquoi ici, en conclusion de la revue, nous nous limiterons à une brève histoire sur un autre développement remarquable et complètement nouveau. Il a été réalisé par des scientifiques de l'Université de Cambridge et combine deux des domaines les plus prometteurs de l'électronique moderne : la spintronique et les puces 3D.

L'idée de conceptions multicouches, ou empilées, comme on dit, de puces 3D est en cours depuis un certain temps, au moins depuis les années 1990. L'essence de l'idée est assez simple. Si, sur la même base de silicium qu’aujourd’hui, nous apprenons à fabriquer des circuits intégrés non pas plats, mais véritablement tridimensionnels – avec de nombreuses connexions entre les couches – d’environ 100 couches, alors la loi de Moore continuera probablement à fonctionner correctement. Au moins encore 15 ans.

Mais l’un des plus grands défis auxquels sont encore confrontés les concepteurs de puces 3D est que l’électronique traditionnelle ne permettra jamais de trouver un moyen vraiment efficace de transférer des informations entre les couches. Si vous comptez sur des transistors de circuit conventionnels dans ce domaine, la consommation d'énergie augmente sensiblement et l'évacuation de la chaleur dans une conception empilée, au contraire, devient beaucoup plus compliquée - puisque la plupart des éléments sont désormais cachés dans les couches internes. de la puce.

En d’autres termes, l’approche traditionnelle de la conception de puces 3D est non seulement maladroite et coûteuse, mais ne parvient pas non plus à maintenir la dissipation thermique dans une plage raisonnable. Et tout cela signifie que dans la conception tridimensionnelle des microcircuits, il est hautement souhaitable de s'appuyer sur autre chose pour transférer les informations entre les couches.

Les scientifiques du laboratoire Cavendish de Cambridge ont décidé d'utiliser pour cela la spintronique. Autrement dit, dans une conception multicouche empilée typique des puces 3D, ils ont imaginé et mis en œuvre un ingénieux mécanisme de connexions intercouches verticales qui fonctionne sur la base du spin quantique des particules.

Ils ont appelé leur développement un «registre à décalage spintronique», et cette conception fonctionne comme une sorte de mécanisme à cliquet quantique - où les bits de données et les commandes codées en spins sont poussés de manière unidirectionnelle d'une couche à l'autre avec une consommation d'énergie minimale et, par conséquent, pratiquement aucune. génération de chaleur.

Ce « registre vertical » est réalisé sous la forme d’une structure sandwich multicouche plutôt astucieuse, dans laquelle deux types différents de couches métalliques de quelques atomes d’épaisseur seulement sont empilées alternativement les unes sur les autres. Les propriétés des couches sandwich sont sélectionnées de manière à ce que l'emplacement du bit d'information soit décalé vers le haut d'« une cellule de registre » tous les deux retournements de polarité du champ magnétique.

En d'autres termes, un certain domaine de « spin-up » dans la couche magnétique (ou cellule) 12, par exemple, après avoir commuté deux fois le champ magnétique, apparaît dans la cellule (couche magnétique) 13. Ce mécanisme de domaine saute à travers les couches. étages de la puce est, en fait, Il existe un mode de fonctionnement de base du registre à décalage dans cette conception.

Il est clair que le chemin entre la démonstration en laboratoire du dispositif et la production en série de processeurs spintroniques 3D basés sur celui-ci est très probablement très long. Mais il ne fait aucun doute que la technologie démontrée est véritablement innovante, repose sur des procédures de production tout à fait standardisées et ne rencontre aucun obstacle fondamental à son développement ultérieur (pour le moment).

Pour une technologie littéralement nouvelle, cela, il faut l'admettre, est beaucoup.

Disques durs et spintronique

• Matériel informatique

Introduction

Qu’est-ce que la spintronique ?

Partout je dis ici, tournez et tournez, mais qu'est-ce que c'est ?

Le spin (de l'anglais spin - rotation, spinning) est le moment cinétique intrinsèque d'un électron sans rapport avec son mouvement dans l'espace. En simplifiant un peu, le spin peut être considéré comme la rotation d'un électron autour de son axe.

Rappelons un peu les mathématiques et la physique.
En physique classique, le moment cinétique mécanique d’une particule (ou, comme on dit aussi, le moment du moment) est égal à :

r– rayon vecteur de la particule ;
p est le vecteur impulsion de la particule.

À p = 0, moment cinétique d'une particule classique M = 0. Pour un électron, à p = 0, M ≠ 0.
Le spin d'un électron peut prendre deux valeurs :


Riz. 1. Spins d’électrons

En général, le spin est mesuré en unités de h (constante de Planck) et on dit que le spin est égal à . Le moment magnétique de l’électron est associé au spin.

Je pense qu'un tas de symboles mathématiques ci-dessus suffisent à tourmenter un peu les lecteurs. Et si c’est le cas, nous n’utiliserons plus de formules.

Contrairement aux charges classiques, qui créent un moment magnétique uniquement en présence de leur courant (comme par exemple dans un solénoïde), un électron a un moment magnétique à impulsion nulle. Non seulement les électrons ont un spin magnétique, mais aussi certaines autres particules élémentaires, ainsi que les noyaux de certains atomes.

Les effets spintroniques utilisent les propriétés des matériaux ferrimagnétiques. Ce sont des matériaux qui contiennent des atomes qui ont un moment magnétique (par exemple, Fe - fer, Co - cobalt, Ni - nickel), et à une température inférieure à une certaine température critique (température de Curie), les moments magnétiques des atomes sont ordonnés les uns par rapport aux autres. Lorsque les spins sont parallèles, les matériaux sont appelés ferromagnétiques, et lorsque les spins sont antiparallèles, ils sont appelés antiferromagnétiques.

En 1989, des structures constituées de couches ferromagnétiques et non magnétiques ont été étudiées. Leur conductivité a été étudiée. Regardons l'image :

Fig.2. Structure ferromagnétique à trois couches

Comme le montre la figure, les deux structures sont constituées de trois couches : une couche ferromagnétique sur les bords de la structure et une couche non magnétique au milieu. Un exemple réel de telles structures serait Fe-Cr-Fe (fer-chrome-fer) ou Co-Cu-Co (cobalt-cuivre-cobalt). De plus, la largeur de la couche non magnétique est d'environ 1 nm, ou plus précisément, la largeur de la couche doit être inférieure au libre parcours moyen de l'électron, afin qu'il n'y ait pas de diffusion ni de perte de spin lors de son mouvement. La conductivité dans une telle structure ne se produit que si les magnétisations des couches externes sont unidirectionnelles, comme le montre la figure de droite. Sinon, on obtient un « isolant métallique ».

Et comment cela s’applique-t-il aux disques durs ?

Figure 3. Disque dur

Seule la tête d'enregistrement/lecture intéresse dans le cadre de cet article. Je l'ai spécialement "doré" avec de la peinture jaune (comme dans cette drôle de chose avec Petka et Vasily Ivanovich). En général, il ne s'agit pas d'un appareil dans la tête, mais de deux : une partie enregistrement et une partie lecture. Regardons de plus près la partie lecture :

Figure 4. Tête de lecture

Comme vous pouvez le voir, la tête est composée de quatre couches : du fer, du cuivre, du cobalt et un antiferromagnétique AFM. Les mots AFM, ou comme on l'appelle aussi, la couche d'échange, sont conçus pour fixer le champ magnétique de la deuxième couche. La deuxième couche est appelée couche de fixation et dans notre cas elle est constituée de cobalt. Dans celui-ci, le champ magnétique est toujours dirigé dans une seule direction. La troisième couche est conductrice, généralement en cuivre, et sert à séparer les couches ferromagnétiques. La dernière couche, la sensible, est également constituée d'un matériau ferromagnétique. Contrairement à celui de fixation, la direction de son champ magnétique dépend du champ externe - le champ de la cellule. Une cellule de disque dur contient un bit d'information. En fonction de l'orientation du champ cellulaire, l'orientation du champ dans la couche sensible change. Si les orientations des champs dans les couches sensible et d'enregistrement coïncident, alors la cellule, selon les principes évoqués ci-dessus, augmente sa conductivité, c'est-à-dire commence à conduire le courant. Si les orientations des champs sont opposées, alors on obtient un « isolant métallique ». Cet effet de changement de conductivité (ou de résistance, car ce ne sont que des quantités réciproques) est appelé GMR - Giant Magnetorésistive - l'effet de magnétorésistance géante. L’effet GMR a été étudié pour la première fois dans les laboratoires IBM à la fin des années 80, mais il a fallu près de 10 ans pour sa mise en œuvre industrielle.

Le fait que des technologies aussi complexes nous entourent partout est très vertigineux. À suivre.

Considérons maintenant ce qui se passe au contact d'un ferromagnétique avec un semi-conducteur (Fig. 1.17). La concentration de porteurs de charge dans un semi-conducteur étant bien inférieure à celle d’un métal ferromagnétique, beaucoup plus d’électrons diffusent de ce dernier vers le semi-conducteur. L'équilibre dynamique n'est établi que lorsqu'une barrière de potentiel significative est formée au niveau du contact - la « barrière Schottky » (Fig. 1.17,a). De ce fait, dans la région du semi-conducteur adjacente au contact, il existe une courbure importante des bandes (valence, bande interdite et bandes de conduction).

Riz. 1.17.

Lorsqu'une petite tension est appliquée au contact U(« + » au semi-conducteur), peu de changements. Le courant électrique ne traverse la barrière Schottky que lorsque la tension atteint une valeur proche de la hauteur de la barrière. Il devient alors possible pour les électrons de traverser une barrière étroite (Fig. 1.17b).

Les électrons polarisés du ferromagnétique pénètrent dans le semi-conducteur avec une énergie bien supérieure à l'énergie thermique. Ces électrons « chauds » sont diffusés de manière très intense et perdent rapidement l’orientation de leurs spins. Donc injection Le courant électrique polarisé en spin d'un métal ferromagnétique vers un semi-conducteur s'avère très inefficace.

La structure « métal ferromagnétique – jonction tunnel – semi-conducteur » s’est avérée plus efficace à cet égard (Fig. 1.17c). La courbure des bandes d'un semi-conducteur séparées du métal par un diélectrique est insignifiante. Si l’épaisseur du diélectrique est très petite (~ 1 nm), l’effet tunnel commence même à basse tension. Les électrons injectés orientés spin pénètrent dans le semi-conducteur moins « chauds » que dans le cas de la barrière Schottky. Et donc leur temps de relaxation en rotation est beaucoup plus long. C'est pourquoi, par exemple, dans un transistor de spin à base semi-conductrice (Fig. 1.6), des jonctions tunnel ultrafines (sur la Fig. 1.6, en nitrure de silicium) sont utilisées entre le semi-conducteur et les ferromagnétiques.

En utilisant une jonction tunnel ultra fine, en 2007, en utilisant l'exemple d'un transistor à spin dont la structure est représentée sur la Fig. 1.18, il a été constaté que Les électrons polarisés en spin injectés dans du silicium de haute pureté peuvent avoir un temps de relaxation de spin assez long et diffuser sur des distances significatives (à l'échelle du nano et même du micromonde) - jusqu'à 350 μm

Sur une plaquette de silicium de haute pureté ( Si(pl.)) d'une épaisseur de 350 microns, une couche de métallisation a été appliquée dessus ( Al/Cu) Couche tunnel ultra fine de 10 nm d'épaisseur Al 2 Ô 3, couche ferromagnétique (CoFé) 10 nm d'épaisseur et métallisation en aluminium (Al). Cette structure servait d'émetteur d'électrons polarisés en spin. Par le bas sur la plaquette de silicium ( Si(pl.)) des couches de ferromagnétiques ont été déposées (NiFe) et du cuivre (Cu) les deux ont une épaisseur de 4 nm. Une couche de silicium a été développée sur ce dernier n-taper (n-Si) et contact ohmique de l'indium (Dans).

Lorsque la tension a été appliquée à l'émetteur U Euh, d'un ferromagnétique (CoFé) en silicium à travers une barrière tunnel ultrafine ( Al 2 Ô 3 et fine couche de métallisation (Al/Cu) des électrons de conduction dont les spins sont orientés dans la direction de l'aimantation du ferromagnétique ont été injectés. Sous tension U K1 appliqué sur la couche collectrice du ferromagnétique (NiFe), ces électrons dérivent à travers la plaquette de silicium. Leur temps de relaxation de spin et leur durée de diffusion se sont avérés suffisants pour qu'une partie notable d'entre eux passe au collecteur. La direction de l’orientation du spin pourrait être déterminée en changeant la direction de magnétisation du ferromagnétique « libre ». Dans ce cas, le courant du collecteur a fortement diminué. Couche de silicium n-taper (n-Si) utilisé pour une amplification supplémentaire et une mesure plus précise des signaux.

Semi-conducteurs ferromagnétiques

La jonction tunnel, tout en améliorant les conditions d'injection du courant polarisé en spin dans le semi-conducteur, crée néanmoins une résistance électrique accrue et nécessite des tensions de fonctionnement accrues. Par conséquent, les scientifiques ont accordé une attention particulière à une alternative possible - l'utilisation de ferromagnétiques semi-conducteurs plutôt que métalliques comme source de courant polarisé en spin - ce qu'on appelle. semi-conducteurs ferromagnétiques(FP). Retour dans les années 70 du XXe siècle. des PT tels que les chalcogénures d'europium et des spinelles tels que CdCr 2 Se 4 [Nagaev E.L. Physique des semi-conducteurs magnétiques. – M. : Sciences. – 1979. – 431 p.]. Cependant, ils n’ont révélé des propriétés ferromagnétiques qu’à basse température.

Au cours des deux dernières décennies du XXe siècle. ont été intensivement étudiés par ce qu'on appelle "semiconducteurs magnétiques dilués"(RMP, anglais dilué magnétique semiconducteurs, DMS). Ce sont des semi-conducteurs classiques du type UN 2 B 6 et UN 3 B 5, fortement, jusqu'à la solubilité maximale possible, dopés avec des atomes de métaux de transition ("magnétiques"), le plus souvent du manganèse ( Mn– parce qu’il a la solubilité la plus élevée). Interaction d'échange d'électrons partiellement remplis d- Et f- les coquilles d'ions magnétiques avec des porteurs de charge de bande du semi-conducteur principal modifient considérablement les propriétés de ce dernier et conduisent à l'apparition non seulement du ferromagnétisme, mais également de nombreux nouveaux phénomènes qui peuvent être prometteurs pour des applications pratiques. Cependant, dans la plupart de ces RMP, la température de Curie s'est avérée inférieure à la température ambiante (par exemple, dans Géorgie 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 K – selon la technologie de fabrication ; à Géorgie 0,95 Mn 0,05 Sb CT = 80 K). Et seulement pour les semi-conducteurs à grand écart, la température de Curie s'est avérée supérieure à la température ambiante (pour Géorgie 1-x Mn x N, par exemple TK = 400 K). U GaN, dopés au gadolinium (le moment magnétique de son atome est égal à 8 magnétons de Bohr), les films minces deviennent ferromagnétiques même lorsqu'il y a un atome de gadolinium pour près d'un million d'ions gallium et azote. Plus tard, il s'est avéré qu'en utilisant des éléments d'alliage supplémentaires ( Zn,C d, etc.), il est possible d'augmenter considérablement la température de Curie des semi-conducteurs à intervalle étroit (par exemple, sur la base de InSb-Mn : Zn, Cd il est possible d'obtenir une série continue de RMP avec TK = 320-400 K).

Au cours de la dernière décennie, une gamme beaucoup plus large de semi-conducteurs magnétiques a été synthétisée et étudiée. Des propriétés ferromagnétiques à des températures supérieures à la température ambiante ont été détectées même dans des semi-conducteurs classiques comme le silicium et le germanium dopés au manganèse ou à d'autres atomes « magnétiques ». Ici, beaucoup dépend de la technologie de dopage et de l'utilisation d'éléments d'alliage supplémentaires.

Il n'y a pas de barrière significative au contact d'un semi-conducteur ferromagnétique avec un semi-conducteur conventionnel du même type de conductivité.(Fig. 1.19, a, b). Si le PT et un semi-conducteur conventionnel ont des types de conductivité différents, alors r-p- une transition dont le passage du courant électrique n'est possible que dans un seul sens (Fig. 1.19, c, d). Sur la fig. 1.19, en plus des bandes de valence (E B1 et E B2) et des bandes de conduction (E P1 et E P2), les bandes sont également représentées classiquement d- Et f-électrons (E fd), qui sont également généralement présents dans les semi-conducteurs ferromagnétiques. Selon leur position par rapport au niveau de Fermi (E Ф), ils peuvent être partiellement ou totalement comblés. Même si elles sont partiellement remplies, la conductivité électrique à travers ces zones est limitée, car les électrons f et d ont une faible mobilité (masse effective importante).

L'injection de courant polarisé en spin dans un semi-conducteur à partir de semi-conducteurs ferromagnétiques s'est avérée beaucoup plus efficace qu'à partir de métaux ferromagnétiques, et le degré de polarisation de spin peut être beaucoup plus élevé - jusqu'à 100 %..

Au cours de la dernière décennie, des matériaux nanocomposites semi-conducteurs ferromagnétiques ont également été activement synthétisés et étudiés, notamment des structures magnétiques de dimensions réduites - nanoparticules, nanofils ferromagnétiques, films ferromagnétiques ultra-fins, qui sont des plans quantiques. Les températures de Curie pour de tels semi-conducteurs nanocomposites peuvent différer considérablement de la température de Curie du semi-conducteur « pur » correspondant. De plus, il devient possible de modifier de manière significative les propriétés du système à l'aide d'un champ magnétique externe.

LED spintroniques

Grâce à ces acquis, il a été possible de créer, par exemple, des prototypes LED spintroniques et faites tourner les piles.

LED spintroniques basés sur la transition - diffèrent en ce que leur rayonnement est polarisé circulairement. Cela est dû au fait que, contrairement aux LED classiques, des électrons de conduction polarisés en spin ou des « trous » polarisés en spin sont injectés dans la région d’hétérojonction où se produit la recombinaison. DANS AlGaAs(V. GaAs et dans d'autres semi-conducteurs de ce groupe) les transitions optiques sont autorisées lors de la recombinaison d'électrons de spin +1/2 uniquement avec des trous de spin –1/2, ou vice versa – des électrons de spin –1/2 uniquement avec des trous de spin + 1 /2. Par conséquent, les photons émis dans ce cas ont un spin de ±1, c'est-à-dire sont polarisés à droite ou à gauche. Il s'agit d'un effet purement quantique. La dynamique de rotation du vecteur électrique dans une telle onde lumineuse polarisée circulairement est représentée sur la Fig. 1.20.

Lors de l'absorption de la lumière polarisée circulairement, les mêmes règles de sélection s'appliquent. En conséquence, les atomes qui absorbent un photon polarisé circulairement entrent dans des états avec un nombre quantique magnétique qui diffère de ± 1 de l’état initial. Dans un certain nombre de nouvelles technologies, dont nous ne parlons pas ici, cette propriété de la lumière polarisée circulairement est utilisée pour la « magnétisation optique » d'ensembles d'atomes ou pour leur « pompage optique » - créant une population inverse d'états excités d'atomes. Sur substrat d'arséniure de gallium. p + (p + -GaAs) couches appliquées successivement GaAs:Être(20 nm), nanoparticules semi-conductrices ferromagnétiques MnAs d'environ 3 nm de diamètre, répartis dans une matrice d'arséniure de gallium de 10 nm d'épaisseur, barrière tunnel en arséniure d'aluminium ( Hélas), une fine pellicule d'arséniure de gallium ( GaAs, 1 nm) et couche ferromagnétique MnAs 20 nm d'épaisseur. Des contacts en or sont formés sur le substrat et sur la couche MnAs.

Si les nanoparticules MnAsà l'aide d'un champ magnétique externe, remagnétiser dans le sens opposé au sens de magnétisation de la couche magnétiquement dure MnAs(un ferromagnétique avec une magnétisation fixe), puis en raison de l'injection d'électrons polarisés en spin à travers une jonction tunnel, une tension électrique apparaît aux bornes externes. Si vous fermez le circuit électrique externe, alors aux nanoparticules ferromagnétiques MnAs des électrons vont « circuler », dont les spins sont orientés dans le sens de l'aimantation du ferromagnétique « fixe ». Ces électrons, en s'accumulant, conduisent à une réorientation progressive des nanoparticules ferromagnétiques. Si le circuit externe est ouvert, le courant s'arrête et, avec lui, l'inversion de la magnétisation des nanoparticules ferromagnétiques s'arrête.

Peut être chargé sans contact. De telles batteries peuvent devenir une source d’alimentation efficace pour les circuits spintroniques et pour les microdispositifs implantés dans le corps humain ou animal.

Des scientifiques d'IBM Research et du principal centre européen de formation et de recherche ETH Zurich ont obtenu pour la première fois de l'histoire des images de la formation d'une hélice de spin stable dans un semi-conducteur.

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« Habituellement, ces spins électroniques changent rapidement et perdent leur orientation. Mais pour la première fois, nous avons réussi à trouver un moyen d’égaliser leurs propriétés dans un cycle régulier de rotations changeantes. »
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Un peu sur la spintronique

Quelle est la mission de la spintronique ?
Dans les dix à quinze prochaines années, les processeurs silicium atteindront leurs limites. Par conséquent, les scientifiques recherchent déjà de nouveaux principes physiques sur lesquels seront construits des dispositifs à grande vitesse avec une faible consommation d'énergie et une faible dissipation thermique.
Dans les dispositifs spintroniques, l'inversion de spin ne nécessite pratiquement aucune dépense d'énergie et, entre les opérations, le dispositif est déconnecté de la source d'alimentation. Si vous changez la direction du spin, l’énergie cinétique de l’électron ne changera pas. Cela signifie que presque aucune chaleur n'est générée.
Les experts identifient trois directions principales dans le développement de la spintronique : l'ordinateur quantique, le transistor à effet de champ de spin et la mémoire de spin.
Selon les scientifiques d'IBM, les électrons changent de spin très rapidement : il faut environ 100 picosecondes pour changer (1 picoseconde équivaut à un billionième de seconde). Et c'est le point problème principal – 100 picosecondes ne suffisent pas pour que les microcircuits enregistrent un changement d'état dans le système.

Peu importe quoi

Des chercheurs d'IBM ont développé une méthode de synchronisation des électrons, augmentant le temps de rotation de 30 fois - jusqu'à 1 nanoseconde (équivalent à un cycle de microprocesseur avec une fréquence de 1 gigahertz).
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L'attention des scientifiques a été attirée sur un fait non décrit auparavant par les physiciens : lorsque les électrons tournent dans des semi-conducteurs, leurs spins se déplacent de plusieurs dizaines de micromètres, tout en tournant de manière synchrone, comme des couples valsant.
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« Si au début du cercle d'une valse les visages de toutes les femmes sont tournés dans une direction, alors après un certain temps les couples en rotation se retrouveront à regarder dans des directions différentes.
Nous avons désormais la possibilité d'enregistrer la vitesse de rotation des danseurs et de la relier à la direction de leur mouvement. Le résultat est une chorégraphie idéale : les visages de toutes les danseuses dans une certaine zone du site sont dirigés dans une seule direction.

Dans les laboratoires de recherche IBM, les scientifiques ont utilisé des impulsions laser ultracourtes pour observer les mouvements de milliers de spins électroniques lancés simultanément en rotation dans une région ultra-petite.
Les chercheurs d'IBM ont utilisé des techniques de microscope à balayage à résolution temporelle pour capturer des images de la « valse » synchrone des spins électroniques. La synchronisation de la rotation des spins électroniques a permis d'observer leur mouvement sur des distances supérieures à 10 microns (un centième de millimètre), ce qui a augmenté la possibilité d'utiliser le spin pour traiter des opérations logiques - rapidement et économiquement en termes de consommation d'énergie.
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La raison du mouvement synchrone des spins est ce qu’on appelle l’interaction spin-orbite, un mécanisme physique qui relie le spin au mouvement d’un électron. L'échantillon expérimental de semi-conducteur a été réalisé à base d'arséniure de gallium (GaAs) par des scientifiques de l'ETH Zurich. L'arséniure de gallium, un semi-conducteur du groupe III/V, est largement utilisé dans la production de dispositifs tels que des circuits intégrés, des LED infrarouges et des cellules solaires à haut rendement.

Faire passer l'électronique de spin du laboratoire au marché reste une tâche extrêmement difficile. Les recherches actuelles sont menées à des températures très basses, auxquelles les spins des électrons interagissent très peu avec l'environnement. Plus précisément, les travaux de recherche décrits ici ont été menés par des scientifiques d'IBM à une température de 40 degrés Kelvin (-233 Celsius ou -387 Fahrenheit).
Quoi qu’il en soit, la nouvelle découverte permet de contrôler le mouvement des « charges » magnétiques dans les dispositifs semi-conducteurs et ouvre de nouvelles opportunités et perspectives pour la création d’appareils électroniques de petite taille et économes en énergie.

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