Perspektyvios spintronikos plėtros kryptys

Sukimosi elektroniniai padėties nustatymo ir judesio jutikliai. GMR jutikliai, naudojami magnetinio lauko dydžiui ir krypčiai aptikti, buvo plačiai pritaikyti šiose srityse: informacijos saugojimas ir nuskaitymas, lauke programuojamų vartų matricos, aviacijos elektronika, elektroninių mašinų valdymas ir automobilių aktyviosios saugos sistemos. Pavyzdžiui, pasaulinė automobilių jutiklių rinka, kurios metinis augimas siekia daugiau nei 10 proc., yra viena sparčiausiai augančių – šiuo metu ji siekia 8,5 mlrd. Pastaraisiais metais pagrindinės pasaulinės automobilių pramonės plėtros tendencijos buvo vidaus degimo variklio valdymo tobulinimas (siekiant sumažinti transporto priemonių išmetamų teršalų kiekį), stabdžių ir antislydimo sistemų, saugos įtaisų ir kt. Kadangi šios technologijos sparčiai tobulėja, pirmiausia reikia tobulinti sukimosi magnetinius jutiklius: didinti jautrumą, stabilumą, patikimumą ir triukšmo slopinimą.

Sukimo diodas. Sukimo dviejų gnybtų diodo idėją pirmasis pasiūlė Mathewsas. Diodas susideda iš penkių sluoksnių magnetinės sistemos, kurioje trys feromagnetiniai sluoksniai yra atskirti paramagnetiniais sluoksniais. 2004 m. buvo atliktas vienas sėkmingiausių sukinio diodo praktinio įgyvendinimo bandymų. Ateityje sukinius diodus planuojama naudoti kaip elementarius MRAM atminties elementus.

Darni kvantinė spintronika. Ilgainiui kvantinė koherentinė spintronika. Tai reiškia prietaisus, kurių matmenys yra tokie maži, kad elektronų bangos funkcijos kvantinė koherencija palaikoma visame įrenginyje, sujungiant įeinančius ir išeinančius elektrinius signalus. Nanotechnologijos pasiekė tokį lygį, kad šiandien galima sukurti 1 nm skalės įrenginius. Tipiškas pavyzdys yra tunelinis diodas (patentinio paraiškos Nr. FR9904227, Prancūzija).

Kvantinė kompiuterija. Mokslininkai prognozuoja, kad kvantinio skaičiavimo srityje bus plačiai naudojama spintronikos plėtra. Manoma, kad kitas rimtas spintronikos vystymosi etapas bus įrenginiai, kuriuose informacija bus perduodama ne elektronų sukiniais, o naudojant sudėtingas kubitų poras. Pavyzdžiui, kelių kontaktų sukimosi įrenginiai, kurie gali būti pagrįsti susipynusių kubitų srautais. Praktiškai toks įrenginys gali būti įgyvendintas sukinių elektroninių tranzistorių pagrindu.

Spintronikos potencialas neapsiriboja jau sukurtomis ir įvaldytomis aukščiau aprašytomis technologijomis. Nepaisant to, kad darbas šia kryptimi vyksta jau daugiau nei du dešimtmečius, yra daug neišspręstų mokslinių ir techninių problemų. Pavyzdžiui, dabar magnetinis laukas naudojamas feromagneto dalies įmagnetinimui pakeisti. Kadangi magnetinį lauką galime sukurti tik elektros srovės pagalba (nuolatiniai magnetai neskaičiuojami), iškyla šio magnetinio lauko lokalizavimo ribotoje erdvės problema. Kuo šis plotas mažesnis, tuo didesnis informacijos kaupimo magnetinėje laikmenoje tankis (žinoma, dar kyla klausimų dėl tinkamų magnetinių medžiagų parinkimo). Kietojo kūno fizikos (Ciuricho) ir Stanfordo universiteto laboratorijose buvo atliktas eksperimentas, parodantis galimybę keisti medžiagos įmagnetinimą naudojant elektronų srautą su tam tikru sukiniu (teigiama, kad tokie elektronai yra sukinio poliarizuoti). Naudojant poliarizuotos šviesos sukeltą puslaidininkinio katodo fotoemisiją, buvo gautas sukinio poliarizuotų elektronų pluoštas. Šis spindulys buvo praleistas per kelių nanometrų storio magnetinę plėvelę. Kai elektronai skrenda per plėvelę, pasikeičia elektronų sukimasis (šis reiškinys vadinamas precesija ). Kadangi gamtoje niekas nepraeina be pėdsakų, keičiasi ir elektronų sukiniai magnetinėje plėvelėje, o tai reiškia medžiagos įmagnetinimo pasikeitimą. Jei praleistų elektronų skaičius yra panašus į medžiagos atomų skaičių, tada plėvelės įmagnetinimo pokytis bus labai pastebimas. Efektas gali būti naudojamas tiek informacijai įrašyti, tiek jai skaityti (esant mažesniam elektronų pluošto intensyvumui). Potencialiai ši technologija gali užtikrinti iki dešimčių gigahercų įmagnetinimo apsisukimo greitį (ty faktiškai nuskaityti ir rašyti informaciją), tačiau prieš tai tyrėjai turės

dar labai ilgas kelias.

Kitas įdomus efektas yra gryno sukinio elektronų srauto susidarymas be krūvio perdavimo. Eksperimento metu susidarė du priešingi elektronų srautai su priešingos krypties sukiniu. Šis nuostabus efektas buvo pasiektas naudojant du impulsinius poliarizuotus lazerius, kurių vieno dažnis yra perpus mažesnis nei kito. Taigi sukimosi krūvio perdavimas buvo pasiektas be potencialų skirtumo. Iki šiol šis reiškinys buvo stebimas kelių dešimčių nanometrų atstumu, tačiau tolesni tyrimai šia kryptimi tęsiami.

Viena iš spintronikos problemų yra susijusi su naudojamomis medžiagomis. Faktas yra tas, kad spintronikai reikalingi feromagnetai, kurių magnetinės savybės sukelia įvairius efektus, susijusius su elektronų sukiniais. Tačiau feromagnetai yra metalai, o šiuolaikinė elektronika yra paremta puslaidininkiais. Būtent puslaidininkių savybės leidžia padidinti elektros srovę tranzistoriuose – metaluose toks poveikis neįmanomas. Todėl norint sukurti efektyvų įrenginį, kuris naudotų ir elektrono sukimąsi, ir krūvį, tai būtina feromagnetas, kuris yra puslaidininkis . Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinėje laboratorijoje (JAV) buvo sukurtas naujas puslaidininkis, kuris nepraranda savo magnetinių savybių net kambario temperatūroje. Ši medžiaga yra titano oksidas su kobalto priedu ir auginamas nanometrinių plėvelių pavidalu molekulinės epitaksijos būdu. Giliame vakuume reikiamu santykiu atomų pluoštai nukreipiami į kristalinį paviršių, kur suformuoja reikiamą kristalinę struktūrą.

Kita panaši medžiaga yra epitaksinė plėvelė, iš kurios pagaminta kintantys galio junginių sluoksniai: GaSb, GaMn. Šio puslaidininkio magnetinės savybės išlaikomos iki 130°C, to pakanka šiuolaikinių technologijų poreikiams.

Dar viena perspektyvi kryptis yra organinių junginių naudojimas . Kalifornijos universitete (Riverside) jie susintetino junginį, kuris, priklausomai nuo temperatūros, vienu metu keičia savo optines, elektrines ir magnetines savybes. Esant maždaug 62°C temperatūrai, medžiaga iš skaidraus (infraraudonųjų spindulių spektro) paramagnetinio izoliatoriaus virsta nepermatomu diamagnetiniu laidininku. Dėl tokių unikalių savybių jis patrauklus ne tik spintronikai, bet ir kitoms perspektyvioms sritims, pavyzdžiui, fotonikai. Tiesa, perėjimo darbinė temperatūra yra šiek tiek aukšta, tačiau mokslininkai tikisi ją sumažinti keičiant medžiagos sudėtį.

Tyrinėjo Ohajo valstijos universitete plastikas – vanadžio tetracianoetanidas . Nepaisant organinės prigimties, jis taip pat pasižymi magnetinėmis savybėmis, kurios išlieka iki 130°C. Be to, plastikas yra daug technologiškai pažangesnis nei kitos medžiagos, todėl ateityje bus galima sukurti pigią plastikinę atmintį.

Nanokompozitai metalinių vielų pavidalu iš polikarbonato arba aliuminio oksido. Branduoliniame reaktoriuje polikarbonato plėvelė yra veikiama sunkių, didelės energijos įkrautų dalelių. Eidamos pro polikarbonatą, įkrautos dalelės palieka pėdsakus su sutrikusia (t.y. kitokia, kitokia nei likusios masyvo dalies) struktūra. Tada šie takeliai yra išgraviruoti koncentruotame šarmo tirpale ir tokiu būdu susidaro vienodos cilindrinės poros. Porų tankis nustatomas pagal laiką, kiek membrana išlieka reaktoriuje. Membranos gaminamos su standartiniu porų tankiu 10 6, 10 8, 6. 10 8, 10 9 ir 10 10 porų/cm2. Porų skersmuo gali būti gaunamas plačiame diapazone nuo 10 iki 300 nm, priklausomai nuo plėvelės švitinimo laiko, tirpalo temperatūros ir koncentracijos, taip pat ėsdinimo laiko. Membranų storis gali būti nuo vienetų iki šimtų mikronų, skersmuo paprastai yra 13 mm. Anoduoto aliuminio membranos taip pat gali būti naudojamos nanolaidelių nusodinimui elektrolitiniu būdu. Daugiasluoksnių ir granuliuotų nanolaidelių pavidalo struktūros gamyba vykdoma išskirtinai elektrolitinio nusodinimo į membranos poras metodu (pav.) iš vieno elektrolito tiek potenciostatiniu, tiek galvanostatiniu impulsų režimu. Prieš elektrodinį nusodinimą į poras nusodinamas aukso sluoksnis ~0,01 μm, kad būtų užtikrintas elektrinis kontaktas vienoje membranos pusėje (pav.).

Ryžiai. Scheminės polikarbonatinės membranos ir atskiros daugiasluoksnės nanolaidelės iliustracijos (kairėje). Aukso posluoksnio uždėjimo ant membranos geometrija (dešinėje).

Skirtingai nuo plokštuminio elektrolitinio nusodinimo, kai visas katodo paviršius yra veikiamas elektrolitu, atliekant nanolaidinį nusodinimą elektrolitu, tik dalis membranos paviršiaus, vadinama aktyviąja arba tikra nusodinimo zona, yra veikiama elektrolitu. Jį galima apskaičiuoti žinant porų skaičių visame membranos plote ir vienos poros plotą:

Ryžiai. Tipinė nanolaidų augimo srovės kreivė

Srovės padidėjimas po taško B rodo plėvelės, atsirandančios per poras, pradžią. Tai atitinka maždaug 3,8 µm vardinį storį. Po to laidai pradeda jungtis ant paviršiaus, o virš laidų atsiranda pusrutulio formos dangteliai. Vario sluoksnio storis yra maždaug 30 nm, o Co-Ni lydinio storis yra 40 nm.

Ryžiai. Magnetovaržinių matavimų montavimo schema (milžiniška magnetovarža)

Norint atlikti magnetorezistinius matavimus, būtinas viršutinis laidus kontaktas. Tai pasiekiama nusodinant tam tikrą medžiagą ant membranos viršaus. Užpildžius poras, nusėdusi medžiaga pradeda augti pusrutulio formos dubenėlių pavidalu, kurie vėliau susilieja vienas su kitu (pav.).

Tuo atveju, kai laukas yra lygiagretus nanovielio ašiai, jų histerezės kilpos būdingos įmagnetinimo apsisukimui išilgai lengvo įmagnetinimo ašies. Jei išorinis laukas yra statmenas laido ašiai, tai šiuo atveju reikia daug didesnių laukų, kad visi momentai suktųsi šia kryptimi, ir rezultatas yra įmagnetinimui būdinga kilpa išilgai sudėtingos ašies.

Sukimosi vožtuvų nanolaidelių struktūra, magnetinės ir magnetorezistinės savybės. Tarp magnetinių nanomedžiagų ypatingą vietą užima daugiasluoksnės (arba daugiasluoksnės) struktūros. Taip yra daugiausia dėl juose aptikto milžiniško izotropinio magnetinio atsparumo poveikio. Šio reiškinio tyrimas, taip pat įvairių magnetinių mikroelektronikos prietaisų kūrėjų bandymai padidinti elektrinės varžos pokyčio dydį magnetinio lauko vienetui lėmė naujos, sudėtingesnės daugiasluoksnių plėvelių šeimos atsiradimą. struktūros vadinamasis "sukimo vožtuvo" tipas. Jie jau atstovauja periodiškas ne dviejų, o trijų ar daugiau sluoksnių su skirtingais magnetiniais parametrais kaitaliojimas. Šiuo atveju jų įmagnetinimo apsisukimo procesas yra anizotropinis. Kai taikomas išorinis magnetinis laukas pasikeičia įmagnetinimo vektoriaus kryptimi, anksčiau įmagnetinto iki kietojo magnetinio sluoksnio prisotinimo mažesniu už jo koercinę jėgą, minkštasis magnetinis sluoksnis bus pakartotinai įmagnetintas šia kryptimi lauke, mažesniame už jo koercinę jėgą. . Ir priešinga kryptimi – lauke, didesniame nei jo prievartinė jėga. Šis mažo ir didelio koercyvumo sluoksnių įmagnetinimo apsisukimo laukų skirtumas daugiasluoksnėje struktūroje priešingomis kryptimis yra „vožtuvo“ efekto esmė. Daugiasluoksnės struktūros būsena, kai minkštųjų ir kietųjų magnetinių sluoksnių magnetiniai momentai yra antilygiagretūs, yra nestabili. O nedidelis priešingos krypties laukas lemia staigų mažos koercicijos sluoksnių įmagnetinimo pasikeitimą. Štai kodėl galima pasiekti didelį magnetorezistinio elemento jautrumą.

Kita galimybė padidinti magnetorezistinio efekto dydį yra pagaminti daugiasluoksnę struktūrą nanolaidų pavidalu. Tai pasiekiama išskirtinai impulsiniu elektrolitiniu nusodinimu į nanomembranų poras. Nanolaideliams magnetorezistinio efekto geometrija lengvai realizuojama, kai elektros srovė yra statmena sąsajoms tarp sluoksnių daugiasluoksnėje struktūroje, o tai neįmanoma įprastoms daugiasluoksnėms plėvelėms su plokščia geometrija. Tokiu atveju visi laidumo elektronai yra priversti kirsti magnetinius sluoksnius periodiškai antilygiagrečia jų magnetinių momentų kryptimi, todėl jų sklaidos poveikis bus didesnis, palyginti su įprastomis daugiasluoksnėmis struktūromis. Pagrindinis sunkumas yra tas, kad keičiant nusodinimo potencialą (arba katodo srovės tankį D K), reikia parinkti tokias nusodinimo sąlygas (pirmiausia elektrolito sudėtį ir nusodinimo režimus), kai tik jas keičiant (arba D K) susidaro pakankamai didelis skirtumas. Kompozicijoje bus pasiekta ir magnetinių sluoksnių kristalinė struktūra, taigi ir jų koercinė jėga, taip pat labai skirsis. Šias sąlygas gali atitikti CoFeP ir CoW plėvelės, kuriose fosforo ir volframo kiekis priklauso nuo srovės tankio. O, pavyzdžiui, esant mažam srovės tankiui (D K ~ 10-20 mA/cm 2) fosforo kiekis siekia ~20-25 at.%. Šiuo atveju CoFeP 25 plėvelės yra amorfinės magnetiškai minkštos, o fosforo kiekis ~5-10 at% (D K 70 mA/cm 2) yra polikristalinės ir atitinkamai magnetiškai kietos. Tas pats pasakytina apie kobalto-volframo sistemą.

Tie, kurie rašo ir skaito galva, dažniausiai naudoja milžiniško magnetinio atsparumo efektas (GMR), kvantinis mechaninis efektas, užtikrinantis didžiulę šių dienų standžiųjų diskų talpą. Naudojant GMR
suteikia atminties tankį, gerokai didesnį nei 100 gigabitų kvadratiniame colyje. Nors šiuolaikinių standžiųjų diskų magnetiniai domenai yra orientuoti į plokštumą, naujos kartos standieji diskai turės juos statmenai. Statmeno įrašymo technika (pav., žemiau) suteiks tankesnį informacijos supakavimą. Tačiau tam reikės jautresnių rašymo ir skaitymo galvučių, kurias galima sukurti naudojant dar sudėtingesnį tunelio magnetorezistencijos (TMR) efektą. Šia prasme
Kompiuterių kietieji diskai gali būti laikomi nanotechnologijų produktu.

Ryžiai. Milžiniškos magnetinės varžos (GMR) efektas plačiai naudojamas kietuosiuose diskuose. Seagate Technology LLC (viršuje). Duomenų saugojimo tankis gali būti padidintas keičiant magnetinių sričių orientaciją. Statmeninis įrašymas
užtikrina didesnį saugojimo tankį. VDI Technologiezentrum GmbH (toliau)

Vien per 2013 m. vasario mėnesį informacinių technologijų žiniasklaida parengė aibę labai įdomių žinių apie pasiekimus spintronikos srityje. Tai yra apie naują, iš esmės kitokio tipo elektroninius prietaisus, kurie remiasi ne dalelių nešiklio elektriniu krūviu, o jų sukimu – dalelėms būdinga kvantine savybe, kurios sukūrimas žada tikrą kompiuterinių technologijų revoliuciją.

Taip atrodo tik keletas naujausių spintronikos naujienų.

Du Vokietijos universitetai Mainz ir Kaiserlautern, sėkmingai baigę spintroninės atminties lusto, pagrįsto vadinamaisiais Heuslerio junginiais, sukūrimo tyrimus, iš valstybės gavo nemenką 3,8 mln. iki masinės pramoninės gamybos stadijos.

Britų Kembridžo universiteto mokslininkams pavyko savo kūrime sujungti dvi pažangiausias elektronikos tyrimų sritis – 3D lustus ir spintroniką. Dėl to jie sugebėjo sukurti ir pademonstruoti „pirmojo pasaulyje spintroninio 3D procesoriaus“ prototipą (čia būtinos citatos, nes iš tikrųjų tai toli gražu nėra visavertis procesorius, tačiau kūrybinė tyrėjų sėkmė negali būti). abejojo).

Getingeno universiteto – vėlgi Vokietijoje – specialistams pavyko sugalvoti ir susintetinti dirbtinės organinės medžiagos molekulę, kuri gali atlikti stabilios spintroninės atminties ląstelės vaidmenį. Esant tokiam miniatiūrizacijos lygiui, spintroninis atminties įrenginys, pagrįstas nebrangiomis organinėmis medžiagomis, maždaug colio dydžio mikroschemoje galėtų saugoti maždaug petabaitą duomenų (tūkstantį terabaitų arba milijoną gigabaitų).

Jeigu prie to paties naujienų paketo pridėtume dar keletą visai nesenų ir labai įspūdingų – apie kitų JAV, Japonijos ir kitų šalių tyrimų centrų sėkmes, kurios spintronikos technologijas jau labai priartino prie pramoninės gamybos fazės, tai tampa akivaizdu: iš tiesų artėja dideli pokyčiai.

Na, o norint aiškiau suprasti, kokios informacinės technologijos pakeičia įprastą puslaidininkinę elektroniką, prasminga atidžiau pažvelgti į spintronikos ypatybes. Kodėl ši technologija tokia patraukli, kokios sudėtingiausios problemos ją kuriant ir kaip galiausiai pavyksta šias problemas apeiti ir įveikti...

⇡ Natūrali alternatyva

Tarp ekspertų dažnai galima išgirsti nuomonę, kad akivaizdžiai vėluoja ilgai lauktos spintronikos atėjimas į mūsų gyvenimą pirmiausia dėl itin stabilios ir sėkmingos pažangos tradicinių puslaidininkių technologijų srityje. Tai yra, laikas naujoms technologijoms neatėjo tik todėl, kad senoji vis dar yra.

Moore'o empirinis dėsnis, kaip žinote, nustato taisyklę, kuri jokiu būdu neįrodoma, tačiau reguliariai veikia daugiau nei pusę amžiaus. Mokslininkų ir inžinierių pastangomis tipinės mikroschemos elementų skaičius, kitaip tariant, lustų našumas, reguliariai ir toliau padvigubėja maždaug kas pusantrų metų.

Kodėl taip nutinka, nežinoma. Tačiau visi supranta, kad tai negali tęstis be galo. Dabartinis lusto dizainas sparčiai artėja prie savo fizinių ribų. Arba kitaip, visos žinomos technikos problemos – su litografija, medžiagomis, vėsinimu – sparčiai artėja prie tokios būsenos, kai jas įveikti nėra absoliučiai neįmanoma, bet pasirodo per brangu ir neefektyvu.

Trumpai tariant, viena vertus, aiškiai reikia kažko kito. Kita vertus, jau seniai buvo suprantama, kaip šis kitas dalykas beveik neabejotinai atrodys.

Ypatingos savybės, vadinamos sukimu, buvimas medžiagos dalelėse, paprastai iliustruojamas analogijomis su magnetinės adatos viršūnės arba dviejų polių sukimosi ašimi, buvo nustatytas ankstyvosiomis kvantinės mechanikos dienomis. O kadangi elektrono kvantinis sukinys įgauna tik dvi galimas reikšmes, sutartinai vadinamas „sukimu aukštyn“ ir „nukrypimu“, labai daug žadantis informacinių technologijų potencialas šiame projekte buvo pastebėtas gana seniai. Tiesą sakant, gamtoje yra paruoštas dvejetainės informacijos nešiklis, kuris sukimosi kryptimi koduoja 1 arba 0.

Ir pats nuostabiausias dalykas yra tai, kad mes kalbame apie tą patį elektroną, kuris iš pradžių buvo mikroelektroninės revoliucijos pagrinduose ir šerdyje. Beveik visos puslaidininkinės mikroschemos yra pastatytos ant tranzistorių, kurių veikime pagrindinį vaidmenį atlieka elektronų judėjimas. Tiksliau, elektronams būdingų elektros krūvių judėjimas. Nors elektronų sukinys, atrastas beveik prieš 90 metų, puslaidininkių pramonėje ignoruojamas, iš tikrųjų...

Tačiau kadangi visi sutinka, kad Moore'o dėsnis turėtų galioti ir toliau, tada technologija bendriniu pavadinimu spintronika dabar veikia kaip natūraliausia ir tuo pačiu progresyvesnė įprastinės mikroelektronikos alternatyva. Šis pavadinimas dažniausiai iššifruojamas kaip SPIN TRAnsport electrONICS, tai yra „elektronika, pagrįsta sukimosi perkėlimu“.

Naujų technologijų privalumų ir naudos masė kasdien didėja. Tarp svarbiausių yra greitis ir efektyvumas. Juk elektrono sukimąsi iš vienos būsenos į kitą galima perjungti per daug trumpesnį laiką, nei reikia krūviui perkelti grandinėje, ir tai atliekama naudojant daug mažiau energijos. Be to, sukimosi perdavimo metu nešiklio kinetinė energija nekinta, o tai reiškia, kad beveik neišskiriama šilumos.

Apibendrinant, visos šios technologijos savybės leidžia, remiantis sukimosi ir sukimosi srovėmis (to paties poliškumo elektronų sukinių srautais), sukurti žymiai naujus tranzistorius, logikos ir atminties elementus, kurie pakeis įprastus tranzistorius integrinėse grandinėse. O tai, savo ruožtu, leis mums ir toliau laikytis elektronikos miniatiūrizavimo tendencijos.

Tobulėjant šiai technologijai, paaiškėja, kad spintronika atveria kelią ir visiškai naujų tipų įrenginių kūrimui. Tokie kaip šviesos diodai (LED), skleidžiantys kairėje arba dešinėje pusėje apvalią poliarizuotą šviesą, kuri yra labai naudinga apsaugos, kodavimo ir optoelektroninių ryšių tankinimo srityse. Jei pažvelgtumėte šiek tiek toliau į ateitį, paaiškėtų, kad jau prasidėjo tokių spintroninių įrenginių, kurie gali būti naudojami kaip kubitai, tai yra pagrindiniai kvantinių kompiuterių dizaino elementai, atsiradimas.

Tačiau norint, kad puslaidininkių pramonėje įvyktų spintroninė revoliucija, būtina rasti optimalius technologijos komponentus, kurių mokslininkai ieškojo pastarąjį dešimtmetį. Paprastai yra trys pagrindinės užduotys:

1. sukimosi būsenų įvedimo (t. y. „išpurškimo“) į grandinę metodai;
2. sukimosi manipuliavimas grandinės viduje;
3. elektronų sukimosi būsenų aptikimas po apdorojimo.

Labai pageidautina visas šias problemas išspręsti puslaidininkių aplinkoje, nes šios medžiagos artimiausioje ateityje greičiausiai išliks pagrindiniu fiziniu elektronikos pagrindu.

Manipuliavimas elektronų sukimu laikomas gana paprasta ir neįmantria medžiaga (nes sukinys, kaip kompaso adata, labai jautriai reaguoja į magnetinio lauko perjungimą). Tačiau patikimų purkštukų ir detektorių, skirtų trapiam sukimui, kūrimas praktiškai naudojant masinę gamybą, vis dar yra daugybė milžiniškų problemų.

⇡ Bandymo vieta ir pakilimo zona

Norint, kad bendra spintronikos padėtis būtų aiškesnė, būtina pabrėžti, kad manipuliavimas elektronų sukimu šiandien yra didelis ir išvystytas verslas. Bet tik už puslaidininkių pramonės ribų. Tiesą sakant, metaliniai spintroniniai įrenginiai dabar yra visur – beveik kiekvieno planetos kompiuterio standžiajame diske.

1988 m. pabaigoje buvo atrasta, kad sukinio poliarizuotų elektronų srautą sluoksniuotoje dangos struktūroje (du ploni feromagneto sluoksniai, atskirti nemagnetinio metalo sluoksniu) galima žymiai pakeisti perjungiant į priešingą poliškumą. išorinis magnetinis laukas. Šis efektas, vadinamas GMR, arba milžiniška magnetorezistencija, leido sukurti daug jautresnes magnetines galvutes ir atitinkamai sumažinti magnetinių domenų, koduojančių dvejetainius duomenis, dydį ant plokštelių. Kitaip tariant, kietųjų magnetinių diskų įrenginių informacijos talpa gerokai padidėjo.

Manipuliavimas su sukimu – elektronų sukinių perkėlimas tarp dviejų metalų – taip pat yra MRAM, magnetorezistinės laisvosios kreipties atminties, pagrindas. Tai yra naujo tipo kompiuterių saugojimo įrenginiai, kurie saugo informaciją be maitinimo.

MRAM veikimo fizika pagrįsta efektu, šiek tiek primenančiu GMR ir žinomą kaip tunelio magnetovarža (TMR). Čia du feromagnetinio metalo sluoksniai yra atskirti plonu izoliacinės medžiagos sluoksniu, pavyzdžiui, aliuminio oksidu arba magnio oksidu.

Jei GMR yra lėtas sukinio poliarizuotų elektronų judėjimas iš vieno feromagnetinio sluoksnio į kitą dėl klasikinės difuzijos, tai TMR konstrukcijoje yra grynai kvantinis tunelio perėjimas per skiriamąjį sluoksnį (klasikiškai draudžiamas procesas, kurio metu dalelė praeina per potencialų barjerą, viršijantį jo kinetinę energiją).

Tokio tipo įrenginiai vadinami magnetinėmis tunelių jungtimis arba MTJ (magnetinėmis tunelių jungtimis). Pagrindinis efekto bruožas yra tas, kad tuneliavimas, taigi ir sukimosi perkėlimas per barjerą, gali įvykti tik tuo atveju, jei dalelės sukimasis yra „teisingai“ orientuotas.

Nors nuo sukimosi priklausantis tunelis pirmą kartą buvo parodytas dar 1975 m., kaip ir dauguma kvantinių reiškinių, jis veikė tik esant labai žemai temperatūrai. Tik 1995 metais buvo parodyta, kad tai įmanoma kambario temperatūroje.

Tačiau iš pradžių feromagnetinių sluoksnių dalelių išlygintus sukinius buvo galima perjungti iš lygiagrečios į antilygiagrečią būseną tik 12–18% elektronų, o tai vis dar toli gražu nėra pakankama praktiškiems prietaisams. Tačiau iki 10-ojo dešimtmečio pabaigos intensyvus kūrėjų minčių šturmas ir tinkamos finansinės investicijos padėjo išspręsti problemą: pageidaujamas santykis buvo padidintas iki 70%.

Be to, iki 2000-ųjų vidurio naujausios technologijos, užtikrinančios atominio storio plokščias sąsajas tarp metalo ir oksido sluoksnių, leido pasiekti 400% TMR vertes - dėl ypatingo nuoseklaus tunelio efekto.

Rezultatas buvo toks, kad MRAM atminties matricos, pagrįstos tunelio magnetine varža, buvo pradėtos gaminti ir parduoti iki dešimtmečio pabaigos. Tad artimiausiu metu, technologijai atpigus, MRAM leis pagaminti buitinius kompiuterius, kurie gali akimirksniu įsijungti ir išsijungti. Laimei, sistemos būsena bus saugoma greitoje ir nepastovioje atmintyje.

⇡ Purkštukai ir detektoriai

Dėl šios priežasties prireikė detalių ankstesniame pasakojime apie spintroninę atmintį. Pagrindiniai šios istorijos taškai – nuo ​​technologijos specifikos iki bendros jos transformacijos iš demonstracinio pavyzdžio į masinės gamybos produktą trajektorijos – labai panašios į spintronikos kelią iki puslaidininkinių lustų.

Bene svarbiausias skirtumas yra tas, kad TMR efektas pagrįstas daugybe elektronų, kurie turi norimą sukimosi būseną ir palaiko ją perėjimų metu per sąsajas tarp feromagnetinių metalų ir izoliuojančių metalų oksidų.

Na, o tam, kad puslaidininkiniai spintroniniai įtaisai taptų įmanomi, būtina pasiekti iš esmės tą patį elektronų elgesį – bet tik per sąsajas, suformuotas tarp puslaidininkio ir medžiagos, veikiančios kaip sukimosi injektorius arba sukimosi detektorius.

Kadangi silicis ir galio arsenidas yra du plačiausiai pramonėje naudojami puslaidininkiai, pagrindinis kūrėjų iššūkis yra rasti sukimosi poliarizuotų medžiagų (medžiagų, kuriose didžioji dalis elektronų sukinių yra išlygiuota tam tikra kryptimi), kurias būtų galima efektyviai derinti su juos.

Ilgų ir sunkių tokio pobūdžio medžiagų paieškų istorija dar toli gražu neparašyta. Žinoma, čia galėtume kalbėti apie kelis skirtingus metodus, kurie įvairiais laipsniais naudojami daugelyje laboratorijų visame pasaulyje sprendžiant šią sudėtingiausią problemą. Bet turbūt geriau kol kas praleisti šią temą.

Nes iki pirmojo XXI amžiaus dešimtmečio pabaigos visų tyrimų, susijusių su spintronikos įvedimu į mikroschemų pramonę, rezultatai atrodė maždaug taip. Nepaisant daugelio vietinių sėkmių, apskritai niekam nepavyko rasti tinkamų (feromagnetinių puslaidininkių) medžiagų, kurios veiktų kambario temperatūroje ir būtų tinkamos naudoti praktiškuose puslaidininkiniuose spintroniniuose įrenginiuose...

Tačiau, nepaisant tokio liūdno rezultato, tai visiškai nereiškia, kad pažanga sustojo ir sustojo.

⇡ Geislerio junginiai

Itin svarbus spintronikos istorijai įvykis įvyko 2010 metų vasarą, kai žurnale „Nature“ buvo paskelbtas Vokietijos Mainco universiteto fizikų atradimas. Šis universitetas jau seniai garsėjo kaip vienas pagrindinių vadinamųjų Heuslerio junginių tyrimų centrų pasaulyje (apie konkrečias šių medžiagų savybes plačiau vėliau).

Dėl naujo atradimo mokslininkų, atradusių labai ypatingą kvantinę medžiagos būseną Heuslerio junginiuose, vadinamą „topologiniu izoliatoriumi“, taip pat atsivėrė naujos nuostabios spintroninių technologijų plėtros perspektyvos. Ir ne tik atminties įrenginių srityje, bet ir puslaidininkiniams lustams, ir naujoms maitinimo baterijoms, ir daugeliui kitų patrauklių pritaikymų.

Kas yra šios Geislerio medžiagos?

Visų pirma, dera pastebėti, kad apskritai vokišką pavardę Heusleris reikėtų skaityti kaip Heusler. Tačiau pagal šimtametę rusų tradiciją svetimvardžiai ir vardai tariami savaip. Pasaulyje Heine žinomas poetas pas mus vadinamas Heine. Mes vadiname Hudson Bay Hudson. Dėl tos pačios priežasties inžinierius-mokslininkas Friedrichas Heusleris, XX amžiaus dešimtmečio pradžioje atradęs neįprastas paprastų metalų lydinių savybes, Rusijoje iki šiol dažnai vadinamas senamadišku būdu – Heusleriu.

Jau daugelį metų Geislerio medžiagos buvo mokslinių tyrimų dėmesio centre dėl šios priežasties. Būdami gana paprasti cheminiai trijų pagrindinių elementų junginiai, Heuslerio junginiai gali turėti daug įvairių fizinių savybių.

Taigi labiausiai žinoma specifinė šių junginių savybė yra ta, kad jie pasižymi kitokiomis savybėmis, nei natūraliai tikimasi iš juos sudarančių elementų. Pavyzdžiui, pirmasis Geislerio junginys buvo pagamintas iš nemagnetinių elementų – vario, mangano ir aliuminio. Tačiau jų Cu 2 MnAl lydinys net kambario temperatūroje elgiasi kaip feromagnetas. Panašiai, kai trys metalai yra sujungti į kitą derinį, rezultatas gali būti puslaidininkis.

Šiek tiek išsamiau kalbant, Heuslerio junginiai yra labai bendros sudėties medžiagos, išreikštos formule X2YZ (kur X, Y – pereinamieji metalai, o Z – periodinės lentelės III-V grupių elementai). Kadangi kiekvieną elementą X, Y, Z galima pasirinkti iš maždaug 10 skirtingų kandidatų, bendras galimų Heuslerio medžiagų skaičius apytiksliai įvertintas apie 1000 (be to, yra vadinamųjų „pusiau Heuslerių“, aprašytų XYZ). formulė ir taip pat turi daug įdomių savybių).

Dėl nesudėtingos ir lanksčios pagrindo struktūros, norimas Heuslerio junginių savybes galima sureguliuoti koreguojant jų sudėtį. Kitaip tariant, mokslininkai turi labai plačią klasę medžiagų, kurias lengva gaminti ir kurios dažnai susideda iš gana nebrangių viešai prieinamų komponentų, tačiau tuo pačiu leidžia gauti medžiagų, pasižyminčių labai egzotiškomis feromagnetinėmis ar puslaidininkinėmis savybėmis.

Visų pirma dėl to Heuslerio junginiai dabar laikomi labai perspektyvia medžiaga saulės elementų ir kitų termoelektrinių generatorių, galinčių tiesiogiai paversti šilumą į elektros energiją, gamybai. Pavyzdžiui, nejudėdami konstrukcinių dalių, generuokite elektros energiją iš mašinų ir prietaisų šilumos gamybos procesų.

Kai 2000-ųjų viduryje pirmieji teoretikai, o netrukus ir eksperimentatoriai gamtoje atrado visiškai naują materijos būseną, vadinamą topologiniu izoliatoriumi, po kurio laiko tapo aišku, kad ir čia Heuslerio junginiai pasirodo esanti itin naudinga medžiaga.

Per pastaruosius šešerius ar septynerius metus topologiniai izoliatoriai arba trumpiau TI buvo labai karšta tyrimų tema kietojo kūno fizikos ir medžiagų mokslo srityje. Pagrindinė būdinga TI savybė yra ta, kad nors šios medžiagos iš tikrųjų yra izoliatoriai arba puslaidininkiai, jų paviršiai elgiasi kaip laidus metalas, tačiau metalas toli gražu nėra įprastas. Kaip ir superlaidininkuose, TI elektronai juda paviršiais nesąveikdami su juos supančia aplinka, nes jie yra anksčiau nežinomoje kvantinėje „topologinės apsaugos“ būsenoje.

Tuo pačiu metu, ryškus kontrastas su superlaidininkų fizika, yra dar viena TI savybė. Topologiniuose izoliatoriuose paviršiuje yra ne viena, o dvi viena su kita nesąveikaujančios srovės – po vieną kiekvienai sukimosi krypčiai, kurios teka priešingomis kryptimis.

Ir tikriausiai aišku, kad šios dvi stabilios sukimosi srovės, kurioms įtakos neturi nei struktūriniai defektai, nei medžiagos užterštumas, atrodo, buvo sukurtos naudoti spintronikoje (taip pat ir kitose kvantinės informacijos mokslo srityse, pvz., kvantinėje). kompiuteriai).

Taigi vien iš šių samprotavimų galima įsivaizduoti, koks didžiulis susidomėjimas ir net, galima sakyti, audringas susijaudinimas pasireiškė mokslo bendruomenėje, kai paaiškėjo, kad Heislerio medžiagos, kurią jau seniai tyrinėjo ir įvaldė mokslininkai, turi būtent šias nuostabias savybes. TE savybės.

Jis įvardija keletą tokio susijaudinimo priežasčių.

Pirma, susidomėjimą Geislerio junginiais sukelia jų gebėjimas parodyti tai, ką ekspertai vadina „pusiau metaliniu“ pobūdžiu. Sąvoka „pusiau metalinė charakteristika“ reiškia faktą, kad tam tikra medžiaga gali vienu metu užtikrinti metalinį elektronų, turinčių vieną sukimosi komponentą (pvz., besisukančių elektronų), ir izoliuojančią elgesį kitos sukimosi orientacijos atveju (pvz., sukimosi žemyn). ). Tuo pačiu metu medžiagos gali parodyti 100% sukimosi poliarizacijos lygį, todėl jos idealiai tinka sukimosi poliarizatoriams (purkštukams) arba, atvirkščiai, sukimosi detektoriams.

Antra, Geislerio junginiai nėra tik labai didelė medžiagų klasė, turinti daugiau nei 1000 atstovų. Jame, remiantis skaičiavimais, yra daugiau nei 50 junginių, kurie turi išskirtinių topologinių izoliatorių savybių.

Tai seka ir „trečia“: tokios įvairovės dėka dabar galima ne tik atsirinkti norimus, bet ir sukurti visiškai naujus fizinius efektus. Jau visiškai aišku, kad kadangi šios medžiagos yra sudarytos iš trijų elementų, jos tikrai gali pasiūlyti daugybę kitų įdomių savybių, be kvantinės topologinės paviršiaus apsaugos būsenos.

Visų pirma, dabar tampa įmanoma vienoje medžiagoje vienu metu sujungti kelias neįprastas kvantines būsenas, kai, pavyzdžiui, superlaidumas ir topologinis paviršius sąveikauja tarpusavyje. Ir tai atveria kelią į visiškai naujas, eksperimentiškai dar neatrastas charakteristikas, kai kurios iš jų jau buvo nuspėjamos teoriškai...

Ketvirta, ir galiausiai naujų Heuslerio junginių kūrimas jokiu būdu nėra vienintelis būdas šioje srityje sukurti norimas medžiagos savybes. Kita perspektyvi alternatyva yra jau gerai žinomų medžiagų modifikavimas, nes ir jas galima sukonstruoti taip, kad atitiktų norimas charakteristikas. Be to, toks „remodeliavimas“ galiausiai taip pat gali sukurti medžiagas, kurios gali būti laikomos naujomis.

Viena iš tipiškų gerai išvystytų medžiagų modifikavimo procedūrų yra jonų implantacija. Atliekant šią operaciją, standartinės medžiagos mėginys apdorojamas jonų pluoštu, kuris sukelia kristalinės gardelės pokyčius ir lieka įterptas į medžiagos struktūrą kaip priedai. Po to naujos medžiagos savybės iš karto atsiranda dėl dviejų veiksnių: „bombardavimo“ sukeltų struktūros pokyčių ir naujų atomų buvimo struktūroje.

Apibendrinant visus šiuos svarbius atradimus, susijusius su spintronika, jau galime drąsiai teigti, kad Heislerio junginiams čia lemta vaidinti pagrindinį vaidmenį. Nes akivaizdu, kad šios medžiagos leidžia visiškai nauju būdu įveikti žinomas kliūtis, trukdančias puslaidininkių pramonėje derinti įprastus feromagnetus su standartinėmis pramoninėmis technologijomis.

⇡ Spintronika 3D formatu

Heuslerio medžiagos, be jokios abejonės, yra labai perspektyvi tolesnio progreso kryptis. Tačiau, kad nesusidarytų klaidingas įspūdis, kad šiandien tai yra beveik vienintelis spintronikos plėtros kelias, būtų naudinga apžvelgti kitus įdomius pokyčius. Kaip, tarkime, organinių medžiagų pagrindu pagaminta spintronika. Arba spintroninė trasos atmintis (magnetinė lenktynių trasos atmintis, MRM). Arba, galiausiai, spintroniniai energijos šaltiniai, pagrįsti magnetinėmis tunelių jungtimis.

Tačiau straipsnio apimtis nėra lanksti, todėl čia, kaip apžvalgos pabaigą, apsiribosime tik trumpu pasakojimu apie kitą nepaprastą ir visiškai naują plėtrą. Jį pagamino Kembridžo universiteto mokslininkai ir apjungia dvi perspektyviausias šiuolaikinės elektronikos sritis – spintroniką ir 3D lustus.

Daugiasluoksnių arba, kaip sakoma, sukrautų 3D lustų dizaino idėja buvo kuriama gana ilgą laiką, bent jau nuo 1990 m. Idėjos esmė gana paprasta. Jei ant to paties silicio pagrindo, kaip ir dabar, išmoksime sukurti ne plokščias, o tikrai trimates – su daugybe jungčių tarp sluoksnių – maždaug 100 sluoksnių integrines grandines, greičiausiai Moore'o dėsnis ir toliau tinkamai veiks. Dar bent 15 metų.

Tačiau vienas didžiausių iššūkių, su kuriais vis dar susiduria 3D lustų dizaineriai, yra tai, kad pasikliaujant tradicine elektronika niekada nepavyks rasti tikrai gero būdo perduoti informaciją tarp sluoksnių. Jei šiuo klausimu pasikliaujame įprastais grandinės tranzistoriais, dėl to pastebimai padidėja energijos suvartojimas, o šilumos pašalinimas sukrautoje konstrukcijoje, priešingai, tampa daug sudėtingesnis - nes dauguma elementų dabar yra paslėpti vidiniuose sluoksniuose. lusto.

Kitaip tariant, tradicinis požiūris į 3D lustų dizainą yra ne tik gremėzdiškas ir brangus, bet ir nesugeba išlaikyti šilumos išsklaidymo protingame diapazone. Ir visa tai reiškia, kad trimatėje mikroschemų konstrukcijoje labai pageidautina pasikliauti kažkuo kitu, kad informacija būtų perduodama tarp sluoksnių.

Kembridžo Cavendish laboratorijos mokslininkai nusprendė tam panaudoti spintroniką. Tai yra, 3D lustams būdingame daugiasluoksniame projekte jie sugalvojo ir įgyvendino išradingą vertikalių tarpsluoksnių jungčių mechanizmą, veikiantį dalelių kvantinio sukimosi pagrindu.

Jie pavadino savo kūrimą „spintroniniu poslinkio registru“, o šis dizainas veikia kaip savotiškas kvantinis reketo mechanizmas – kai sukiniais užkoduoti duomenų bitai ir komandos yra vienakrypčiai stumiami iš vieno sluoksnio į kitą su minimaliomis energijos sąnaudomis ir, atitinkamai, praktiškai jokios. šilumos generavimas.

Šis „vertikalus registras“ įgyvendinamas gana sumanios daugiasluoksnės daugiasluoksnės struktūros pavidalu, kai vienas ant kito pakaitomis sukrauti dviejų skirtingų tipų, vos kelių atomų storio metalo sluoksniai. Sumuštinių sluoksnių savybės parenkamos taip, kad informacijos bito vieta pasislinktų į viršų „viena registro ląstele“ kas du magnetinio lauko poliškumo posūkius.

Kitaip tariant, tam tikras „susukimo“ domenas magnetiniame sluoksnyje (arba ląstelėje) 12, tarkime, du kartus perjungus magnetinį lauką, atsiranda ląstelėje (magnetiniame sluoksnyje) 13. Šis domeno mechanizmas šokinėja per sluoksnius- grindys lustas yra, tiesą sakant, Yra pagrindinis šio dizaino pamainų registro veikimo režimas.

Akivaizdu, kad kelias nuo laboratorinio įrenginio demonstravimo iki masinės juo paremtų 3D procesorių spintronic gamybos greičiausiai yra labai ilgas. Tačiau neabejotina, kad demonstruojama technologija yra išties inovatyvi, remiasi visiškai standartinėmis gamybos procedūromis ir neturi esminių kliūčių tolesnei plėtrai (šiuo metu).

Galima pripažinti, kad tiesiog naujai gimusiai technologijai tai yra gana daug.

Kietieji diskai ir spintronika

• Kompiuterio techninė įranga

Įvadas

Kas yra spintronika?

Visur čia sakau: suktis ir suktis, bet kas tai?

Sukas (iš anglų kalbos sukinys – sukimasis, sukimasis) – tai vidinis kampinis elektrono impulsas, nesusijęs su jo judėjimu erdvėje. Šiek tiek supaprastinus, sukinys gali būti laikomas elektrono sukimu aplink savo ašį.

Prisiminkime šiek tiek matematikos ir fizikos.
Klasikinėje fizikoje dalelės mechaninis kampinis impulsas (arba, kaip dar sakoma, momento momentu) yra lygus:

r– dalelės spindulio vektorius;
p yra dalelės impulso vektorius.

At p = 0, klasikinės dalelės kampinis momentas M = 0. Elektronui, kai p = 0, M ≠ 0.
Elektrono sukinys gali turėti dvi reikšmes:


Ryžiai. 1. Elektronų sukiniai

Apskritai sukimasis matuojamas h vienetais (Planko konstanta), o sukimasis lygus . Paties elektrono magnetinis momentas yra susijęs su sukiniu.

Manau, kad krūvos aukščiau pateiktų matematinių simbolių pakanka, kad kankintų keletą skaitytojų. O jei taip, tuomet formulių nebenaudosime.

Skirtingai nuo klasikinių krūvių, kurie sukuria magnetinį momentą tik esant jų srovei (kaip, pavyzdžiui, solenoide), elektronas turi magnetinį momentą esant nuliniam impulsui. Magnetinį sukinį turi ne tik elektronai, bet ir kai kurios kitos elementarios dalelės, taip pat kai kurių atomų branduoliai.

Spintroniniai efektai naudoja ferimagnetinių medžiagų savybes. Tai medžiagos, kuriose yra atomų, turinčių magnetinį momentą (pavyzdžiui, Fe - geležis, kobaltas, Ni - nikelis), o esant temperatūrai, žemesnei už tam tikrą kritinę temperatūrą (Curie temperatūrą), atomų magnetiniai momentai yra išdėstyti. vienas kito atžvilgiu. Kai sukiniai yra lygiagretūs, medžiagos vadinamos feromagnetais, o kai sukiniai yra antilygiagretūs, jie vadinami antiferomagnetais.

1989 m. buvo tiriamos struktūros, susidedančios iš feromagnetinių ir nemagnetinių sluoksnių. Buvo tiriamas jų laidumas. Pažiūrėkime į paveikslėlį:

2 pav. Trijų sluoksnių feromagnetinė struktūra

Kaip matyti iš paveikslo, abi konstrukcijos susideda iš trijų sluoksnių: feromagnetinio konstrukcijos kraštuose ir nemagnetinio sluoksnio viduryje. Tikras tokių struktūrų pavyzdys būtų Fe-Cr-Fe (geležis-chromas-geležis) arba Co-Cu-Co (kobaltas-varis-kobaltas). Be to, nemagnetinio sluoksnio plotis yra apie 1 nm, o tiksliau, sluoksnio plotis turėtų būti mažesnis už vidutinį laisvą elektrono kelią, kad jo judėjimo metu nebūtų sklaidos ir sukimosi praradimo. Laidumas tokioje struktūroje atsiranda tik tuo atveju, jei išorinių sluoksnių įmagnetinimai yra vienakrypčiai, kaip matyti dešiniajame paveikslėlyje. Priešingu atveju mes gauname "metalinį izoliatorių".

Ir kaip tai taikoma HDD?

3 pav. HDD

Šiame straipsnyje domina tik įrašymo / skaitymo galvutė. Specialiai „paauksavau“ geltonais dažais (kaip tame juokingame dalyke su Petka ir Vasilijumi Ivanovičiumi). Apskritai tai ne vienas įrenginys galvoje, o du: įrašymo ir skaitymo dalis. Pažvelkime atidžiau į skaitymo dalį:

4 pav. Skaitymo galva

Kaip matote, galva susideda iš keturių sluoksnių: geležies, vario, kobalto ir AFM antiferomagneto. AFM žodžiai arba, kaip jis dar vadinamas, mainų sluoksnis, yra skirtas antrojo sluoksnio magnetiniam laukui užfiksuoti. Antrasis sluoksnis vadinamas fiksuojančiu sluoksniu, o mūsų atveju jis pagamintas iš kobalto. Jame magnetinis laukas visada nukreiptas viena kryptimi. Trečiasis sluoksnis yra laidus, dažniausiai pagamintas iš vario, ir skirtas atskirti feromagnetinius sluoksnius. Paskutinis sluoksnis, jautrus, taip pat pagamintas iš feromagnetinės medžiagos. Skirtingai nuo fiksuojančiojo, jo magnetinio lauko kryptis priklauso nuo išorinio lauko – ląstelės lauko. Kietojo disko elemente yra vienas informacijos bitas. Atsižvelgiant į langelio lauko orientaciją, jautriame sluoksnyje keičiasi lauko orientacija. Jeigu jautriame ir fiksuojančiame sluoksnių laukų orientacijos sutampa, tai ląstelė pagal aukščiau aptartus principus padidina savo laidumą, t.y. pradeda vesti srovę. Jei laukų orientacijos yra priešingos, gauname „metalinį izoliatorių“. Šis laidumo (arba pasipriešinimo, nes tai tik abipusiai dydžiai) kintančiojo efektas vadinamas GMR – Giant Magnetoresistive – milžiniškos magnetoresistikos efektu. GMR efektas pirmą kartą buvo tiriamas IBM laboratorijose devintojo dešimtmečio pabaigoje, tačiau prireikė beveik 10 metų, kol jis buvo įgyvendintas pramonėje.

Tai, kad tokios sudėtingos technologijos mus supa visur, labai svaigina. Tęsinys.

Dabar panagrinėkime, kas vyksta feromagnetui kontaktuojant su puslaidininkiu (1.17 pav.). Kadangi puslaidininkyje krūvininkų koncentracija yra daug mažesnė nei feromagnetiniame metale, iš pastarojo į puslaidininkį difunduoja daug daugiau elektronų. Dinaminė pusiausvyra susidaro tik tada, kai kontakte susidaro reikšmingas potencialo barjeras - „Šoto barjeras“ (1.17 pav.,a). Dėl šios priežasties puslaidininkio srityje, esančioje greta kontakto, yra didelis juostų lenkimas (valentinis, juostos tarpas ir laidumo juostos).

Ryžiai. 1.17.

Kai į kontaktą patenka nedidelė įtampa U(„+“ puslaidininkiui), nedideli pakeitimai. Elektros srovė neteka per Šotkio barjerą tol, kol įtampa nepasiekia vertės, artimos barjero aukščiui. Tada elektronams tampa įmanoma tuneliu per siaurą barjerą (1.17b pav.).

Poliarizuoti elektronai iš feromagneto patenka į puslaidininkį su daug didesne energija nei šiluminė energija. Tokie „karšti“ elektronai yra labai intensyviai išsibarstę ir greitai praranda savo sukinių orientaciją. Todėl injekcija sukimosi poliarizuota elektros srovė iš feromagnetinio metalo į puslaidininkį pasirodo labai neefektyvi.

Šiuo atžvilgiu efektyvesnė pasirodė „feromagnetinio metalo – tunelio sandūros – puslaidininkio“ konstrukcija (1.17c pav.). Juostų lenkimas puslaidininkyje, atskirtame nuo metalo dielektriku, yra nereikšmingas. Jei dielektriko storis labai mažas (~1 nm), tai tuneliavimas prasideda net esant žemai įtampai. Įpurškiami į sukimąsi orientuoti elektronai į puslaidininkį patenka ne taip „karštai“, kaip Schottky barjero atveju. Ir todėl jų sukimosi atsipalaidavimo laikas yra daug ilgesnis. Štai kodėl, pavyzdžiui, sukimosi tranzistoryje su puslaidininkine baze (1.6 pav.) tarp puslaidininkio ir feromagnetų naudojamos itin smulkios tunelinės sandūros (1.6 pav., pagamintos iš silicio nitrido).

Naudojant itin ploną tunelio sandūrą, 2007 m., naudojant sukimosi tranzistoriaus pavyzdį, kurio struktūra parodyta fig. 1.18, nustatyta, kad Sukimosi poliarizuoti elektronai, įšvirkšti į didelio grynumo silicį, gali turėti gana ilgą sukimosi atsipalaidavimo laiką ir išsklaidyti didelius (nano ir net mikropasaulio mastu) atstumus – iki 350 μm

Ant didelio grynumo silicio plokštelės ( Si(pl.)), kurio storis 350 mikronų, ant viršaus buvo padengtas metalizacijos sluoksnis ( Al/Cu) 10 nm storio itin plonas tunelio sluoksnis Al 2 O 3, feromagnetinis sluoksnis (CoFe) 10 nm storio ir aliuminio metalizacija (Al). Ši struktūra tarnavo kaip sukinio poliarizuotų elektronų emiteris. Iš apačios į silicio plokštelę ( Si(pl.)) nusėdo feromagnetinių medžiagų sluoksniai (NiFe) ir vario (Cu) abu yra 4 nm storio. Ant pastarojo buvo užaugintas silicio sluoksnis n-tipas (n-Si) ir ominis kontaktas iš indžio (Į).

Kai į emiterį buvo įjungta įtampa U Iš feromagneto (CoFe)į silicį per itin ploną tunelio barjerą ( Al 2 O 3 ir plonas metalizacijos sluoksnis (Al/Cu) buvo įpurkšti laidumo elektronai su sukiniais, orientuotais feromagneto įmagnetinimo kryptimi. Esant įtampai U K1 užtepamas ant feromagneto kolektoriaus sluoksnio (NiFe), šie elektronai dreifuoja per silicio plokštelę. Paaiškėjo, kad jų sukimosi atsipalaidavimo laikas ir difuzijos ilgis yra pakankami, kad pastebima jų dalis patektų į kolektorių. Sukimosi orientacijos kryptį galima nustatyti pakeitus „laisvojo“ feromagneto įmagnetinimo kryptį. Šiuo atveju kolektoriaus srovė smarkiai sumažėjo. Silicio sluoksnis n-tipas (n-Si) naudojamas papildomam sustiprinimui ir tikslesniam signalų matavimui.

Feromagnetiniai puslaidininkiai

Tunelio sandūra, pagerindama sukinio poliarizuotos srovės įpurškimo į puslaidininkį sąlygas, vis tiek sukuria didesnę elektrinę varžą ir reikalauja didesnės darbinės įtampos. Todėl mokslininkai ypatingą dėmesį skyrė galimai alternatyvai – puslaidininkinių feromagnetų, o ne metalinių, panaudojimui kaip sukimosi poliarizuotos srovės šaltiniui – vadinamajai. feromagnetiniai puslaidininkiai(FP). Dar XX amžiaus 70-aisiais. tokie PT kaip europio chalkogenidai ir špineliai, tokie kaip CDCr 2 Se 4 [Nagaev E.L. Magnetinių puslaidininkių fizika. – M.: Mokslas. – 1979. – 431 p.]. Tačiau jie atskleidė feromagnetines savybes tik esant žemai temperatūrai.

Per pastaruosius du XX amžiaus dešimtmečius. buvo intensyviai tyrinėjami vadinamųjų "atskiesti magnetiniai puslaidininkiai"(RMP, angl. diluted magnetic semiconductors, DMS). Tai klasikiniai tokio tipo puslaidininkiai A 2 B 6 ir A 3 B 5, stipriai, iki didžiausio įmanomo tirpumo, legiruoto pereinamųjų ("magnetinių") metalų atomais, dažniausiai manganu ( Mn– nes jis turi didžiausią tirpumą). Iš dalies užpildytų elektronų mainų sąveika d- Ir f- Magnetinių jonų apvalkalai su juostiniais pagrindinio puslaidininkio krūvininkų nešikliais žymiai pakeičia pastarojo savybes ir lemia ne tik feromagnetizmo atsiradimą, bet ir daug naujų reiškinių, kurie gali būti perspektyvūs praktiniam pritaikymui. Tačiau daugumoje šių RMP Curie temperatūra buvo žemesnė už kambario temperatūrą (pavyzdžiui, in Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 K – priklausomai nuo gamybos technologijos; adresu Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 80 K). Ir tik plataus tarpo puslaidininkiams Curie temperatūra pasirodė esanti aukštesnė nei kambario temperatūra (už Ga 1-x Mn x N, pvz., TK = 400 K). U GaN, legiruotas gadoliniu (jo atomo magnetinis momentas lygus 8 Boro magnetonams), plonos plėvelės tampa feromagnetinėmis net tada, kai beveik milijonui galio ir azoto jonų yra vienas gadolinio atomas. Vėliau paaiškėjo, kad naudojant papildomus legiravimo elementus ( Zn, C d ir kt.), galima žymiai padidinti siauro tarpo puslaidininkių Curie temperatūrą (pavyzdžiui, remiantis InSb-Mn: Zn, Cd galima gauti nepertraukiamą RMP seriją, kai TK = 320–400 K).

Per pastarąjį dešimtmetį buvo susintetintas ir ištirtas daug platesnis spektras magnetinių puslaidininkių. Feromagnetinės savybės, esant aukštesnei nei kambario temperatūrai, buvo aptiktos net tokiuose klasikiniuose puslaidininkiuose, kaip silicis ir germanis, legiruoti manganu ar kitais „magnetiniais“ atomais. Čia daug kas priklauso nuo legiravimo technologijos ir nuo papildomų legiravimo elementų naudojimo.

Feromagnetinio puslaidininkio sąlytyje su įprastiniu to paties laidumo puslaidininkiu nėra didelių kliūčių(1.19 pav., a, b). Jei PT ir įprastinis puslaidininkis turi skirtingus laidumo tipus, tada r-p- perėjimas, per kurį elektros srovės praėjimas galimas tik viena kryptimi (1.19 pav., c, d). Fig. 1.19, be valentinių juostų (E B1 ir E B2) ir laidumo juostų (E P1 ir E P2), juostos taip pat paprastai rodomos d- Ir f- elektronų (E fd), kurių taip pat dažniausiai yra feromagnetiniuose puslaidininkiuose. Priklausomai nuo jų padėties, palyginti su Fermi lygiu (E Ф), jie gali būti iš dalies arba visiškai užpildyti. Net jei jie yra iš dalies užpildyti, elektros laidumas per tokias zonas yra ribotas, nes f- ir d-elektronai turi mažą mobilumą (didelę efektyviąją masę).

Sukimosi poliarizuotos srovės įpurškimas į puslaidininkį iš feromagnetinių puslaidininkių pasirodė esąs daug efektyvesnis nei iš feromagnetinių metalų, o jos sukimosi poliarizacijos laipsnis gali būti daug didesnis - iki 100%..

Pastarąjį dešimtmetį taip pat buvo aktyviai sintetinamos ir tiriamos feromagnetinės puslaidininkinės nanokompozitinės medžiagos, kurios apima sumažintų matmenų magnetines struktūras – nanodaleles, feromagnetinius nanolaidelius, itin plonas feromagnetines plėveles, kurios yra kvantinės plokštumos. Tokių nanokompozitinių puslaidininkių Curie temperatūros gali labai skirtis nuo atitinkamo „grynojo“ puslaidininkio Kiuri temperatūros Be to, naudojant išorinį magnetinį lauką, tampa įmanoma žymiai pakeisti sistemos savybes

Spintronic šviesos diodai

Naudojant šiuos pasiekimus buvo galima sukurti, pavyzdžiui, prototipus spintroniniai šviesos diodai ir sukti baterijas.

Spintronic šviesos diodai remiantis -perėjimu skiriasi tuo, kad jų spinduliavimas yra cirkuliariai poliarizuotas. Taip yra dėl to, kad skirtingai nuo įprastų šviesos diodų, sukinio poliarizuoto laidumo elektronai arba sukimosi poliarizuotos „skylės“ yra įšvirkščiamos į heterosankcijos sritį, kurioje vyksta rekombinacija. IN AlGaAs(V GaAs ir kituose šios grupės puslaidininkiuose) optiniai perėjimai leidžiami elektronų, turinčių sukinį +1/2, rekombinacijos metu tik su skylėmis, kurių sukinys –1/2, arba atvirkščiai – elektronų, kurių sukinys –1/2, tik su skylėmis su sukiniu + 1/2. Todėl šiuo atveju spinduliuojamų fotonų sukinys yra ±1, t.y. yra poliarizuoti dešinėje arba kairėje. Tai grynai kvantinis efektas. Elektrinio vektoriaus sukimosi dinamika tokioje apskritimo poliarizuotoje šviesos bangoje parodyta fig. 1.20.

Sugeriant apskrito poliarizuotą šviesą, taikomos tos pačios atrankos taisyklės. Dėl to atomai, sugeriantys cirkuliariai poliarizuotą fotoną, pereina į būsenas, kurių magnetinis kvantinis skaičius skiriasi nuo pradinės būsenos ±1. Daugelyje naujų technologijų, apie kurias čia nekalbame, ši žiedinės poliarizacijos šviesos savybė naudojama atomų ansamblių „optiniam įmagnetinimui“ arba jų „optiniam siurbimui“ - sukuriant atvirkštinę sužadintų atomų būsenų populiaciją. Ant galio arsenido substrato p + (p + -GaAs) paeiliui tepami sluoksniai GaAs: Būk(20 nm), feromagnetinės puslaidininkinės nanodalelės MnAs apie 3 nm skersmens, paskirstytas 10 nm storio galio arsenido matricoje, aliuminio arsenido tuneliniame barjere ( AlAs), plona galio arsenido plėvelė ( GaAs, 1 nm) ir feromagnetinis sluoksnis MnAs 20 nm storio. Ant pagrindo ir sluoksnio viršuje suformuojami auksiniai kontaktai MnAs.

Jei nanodalelės MnAs naudojant išorinį magnetinį lauką, pakartotinai įmagnetinti priešinga magnetiškai kieto sluoksnio įmagnetinimo krypčiai MnAs(feromagnetas su fiksuotu įmagnetinimu), tada dėl sukinio poliarizuotų elektronų įpurškimo iš jo per tunelio sandūrą išoriniuose gnybtuose atsiranda elektros įtampa. Jei uždarysite išorinę elektros grandinę, tada į feromagnetines nanodaleles MnAs„tekės“ elektronai, kurių sukiniai yra orientuoti „fiksuoto“ feromagneto įmagnetinimo kryptimi. Šie elektronai, besikaupdami, veda prie laipsniško feromagnetinių nanodalelių perorientavimo. Jei atidaroma išorinė grandinė, srovė sustoja, o kartu su ja sustoja ir feromagnetinių nanodalelių įmagnetinimo apsisukimas.

Galima įkrauti bekontakčiu būdu. Tokios baterijos gali tapti efektyviu spintroninių grandinių ir į žmogaus ar gyvūno kūną implantuojamų mikroįtaisų maitinimo šaltiniu.

IBM tyrimų ir pirmaujančio Europos švietimo ir tyrimų centro ETH Ciurich mokslininkai pirmą kartą istorijoje gavo stabilios sukimosi spiralės susidarymo puslaidininkyje vaizdus.

­
­
­
­

„Paprastai tokie elektronų sukiniai greitai pasikeičia ir praranda orientaciją. Tačiau pirmą kartą mums pavyko rasti būdą, kaip suvienodinti jų savybes įprasto sukimosi ciklo metu.
­
­
­
­
­
­

Šiek tiek apie spintroniką

Kokia yra spintronikos misija?
Per ateinančius dešimt–penkiolika metų silicio procesoriai pasieks savo ribas. Todėl mokslininkai jau dabar ieško naujų fizinių principų, kuriais remiantis bus kuriami didelės spartos, mažą energijos suvartojimą ir šilumos išsklaidymą skleidžiantys įrenginiai.
Spintroniniuose įrenginiuose sukimosi apvertimas praktiškai nereikalauja energijos sąnaudų, o tarp operacijų įrenginys atjungiamas nuo maitinimo šaltinio. Jei pakeisite sukimosi kryptį, elektrono kinetinė energija nepasikeis. Tai reiškia, kad beveik nesigamina šiluma.
Ekspertai išskiria tris pagrindines spintronikos vystymosi kryptis: kvantinį kompiuterį, sukimosi lauko tranzistorių ir sukimosi atmintį.
IBM mokslininkų teigimu, elektronai labai greitai keičia sukinius – perjungti reikia apie 100 pikosekundžių (1 pikosekundė yra viena trilijonoji sekundės dalis). Ir tai yra esmė pagrindinė problema – 100 pikosekundžių neužtenka, kad mikroschemos užregistruotų sistemos būsenos pasikeitimą.

Nesvarbu ką

IBM mokslininkai sukūrė elektronų sinchronizavimo metodą, padidinantį sukimosi laiką 30 kartų – iki 1 nanosekundės (lygu mikroprocesoriaus ciklui, kurio dažnis yra 1 Gigahercas).
­

­
­
­
­
­

Mokslininkų dėmesį patraukė anksčiau fizikų neaprašytas faktas – puslaidininkiuose sukantis elektronams, jų sukiniai juda dešimtis mikrometrų, sukdamiesi sinchroniškai, tarsi valso poros.
­
­
­

„Jei valso rato pradžioje visų moterų veidai pasukti viena kryptimi, tai po kurio laiko besisukančios poros atsidurs žvelgiančios į skirtingas puses.
Dabar turime galimybę fiksuoti šokėjų sukimosi greitį ir susieti jį su jų judėjimo kryptimi. Rezultatas – ideali choreografija – visų šokančių moterų veidai tam tikroje aikštelės vietoje nukreipti viena kryptimi.

IBM tyrimų laboratorijose mokslininkai naudojo ultratrumpus lazerio impulsus, kad stebėtų tūkstančių elektronų sukimosi judesius, kurie vienu metu buvo paleisti į sukimąsi itin mažame regione.
IBM mokslininkai naudojo laiko skiriamuosius skenuojančius mikroskopus, kad užfiksuotų sinchroninio elektronų sukimosi „valso“ vaizdus. Elektronų sukinių sukimosi sinchronizavimas leido stebėti jų judėjimą didesniu nei 10 mikronų (šimtosios milimetro dalies) atstumu, o tai padidino galimybę sukinį panaudoti loginėms operacijoms apdoroti – greitai ir ekonomiškai energijos sąnaudų prasme.
­

Sinchroninio sukinių judėjimo priežastis yra vadinamoji sukinio-orbitos sąveika – fizinis mechanizmas, jungiantis sukimąsi su elektrono judėjimu. ETH Ciuricho mokslininkai eksperimentinį puslaidininkio pavyzdį padarė galio arsenido (GaAs) pagrindu. Galio arsenidas, III/V grupės puslaidininkis, plačiai naudojamas gaminant tokius įrenginius kaip integriniai grandynai, infraraudonieji šviesos diodai ir didelio efektyvumo saulės elementai.

Sukimo elektronikos pristatymas iš laboratorijos į rinką tebėra labai sudėtinga užduotis. Šiandieniniai tyrimai atliekami labai žemoje temperatūroje, kurioje elektronų sukiniai minimaliai sąveikauja su aplinka. Tiksliau, čia aprašytą tiriamąjį darbą IBM mokslininkai atliko 40 laipsnių Kelvino (-233 Celsijaus arba -387 Farenheito) temperatūroje.
Tačiau bet kokiu atveju naujas atradimas leidžia valdyti magnetinių „krūvių“ judėjimą puslaidininkiniuose įrenginiuose ir atveria naujas galimybes bei perspektyvas kuriant mažo dydžio ir energiją taupančią elektroniką.

Žymos: pridėti žymų