Спинтроникийг хөгжүүлэх ирээдүйтэй чиглэлүүд

Ээрэх электрон байрлал, хөдөлгөөн мэдрэгч. Соронзон орны хэмжээ, чиглэлийг илрүүлэхэд ашигладаг GMR мэдрэгчүүд нь мэдээлэл хадгалах, унших, хээрийн программчлагдсан хаалганы массив, авионик, электрон машиныг хянах, автомашины идэвхтэй аюулгүй байдлын систем зэрэг салбарт өргөн хэрэглэгддэг. Жишээлбэл, жилийн 10% -иас дээш өсөлттэй автомашины мэдрэгчийн дэлхийн зах зээл хамгийн хурдацтай хөгжиж буй орнуудын нэг бөгөөд одоогоор 8.5 тэрбум еврод хүрч байна. Сүүлийн жилүүдэд дэлхийн автомашины үйлдвэрлэлийн хөгжлийн гол чиг хандлага нь дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн хяналтыг сайжруулах (тээврийн хэрэгслийн утааг бууруулах зорилгоор), тоормосны болон гулсахаас хамгаалах систем, аюулгүй байдлын төхөөрөмж гэх мэт. Эдгээр технологиуд хурдацтай хөгжихийн хэрээр эргүүлэх соронзон мэдрэгчийг сайжруулах нь тэргүүн эгнээнд байна: мэдрэмж, тогтвортой байдал, найдвартай байдал, дуу чимээг дарах зэрэг нэмэгддэг.

Спин диод. Спингийн хоёр терминал диодын санааг анх Мэтьюс санал болгосон. Диод нь таван давхар соронзон системээс бүрдэх бөгөөд гурван ферромагнит давхаргыг парамагнит давхаргаар тусгаарладаг. Спин диодыг практикт хэрэгжүүлэх хамгийн амжилттай оролдлогуудын нэг нь 2004 онд хийгдсэн. Цаашид спин диодыг АМГ-ын санах ойн үндсэн эс болгон ашиглахаар төлөвлөж байна.

Когерент квант спинтроник. Урт хугацааны хувьд квант когерент спинтроник юм. Энэ нь электрон долгионы функцийн квант уялдаа холбоог төхөөрөмж даяар хадгалж, ирж буй болон гарч буй цахилгаан дохиог холбосон хэмжээсүүд нь маш жижиг төхөөрөмжүүдийг хэлнэ. Нанотехнологи ийм түвшинд хүрсэн бөгөөд өнөөдөр 1 нм-ийн масштабтай төхөөрөмж бүтээх боломжтой болсон. Энгийн жишээ бол туннелийн диод (Францын патентын мэдүүлгийн дугаар FR9904227) юм.

Квантын тооцоолол. Судлаачид спинтроникийн бүтээн байгуулалтыг квант тооцооллын салбарт өргөнөөр ашиглахыг таамаглаж байна. Спинтроникийн хөгжлийн дараагийн ноцтой үе шат бол мэдээллийг электрон эргэлтээр бус харин нарийн төвөгтэй кубит хос ашиглан дамжуулах төхөөрөмж байх болно гэж үзэж байна. Жишээлбэл, орооцолдсон кубитуудын урсгал дээр суурилсан олон зүү ээрэх төхөөрөмж. Практикт ийм төхөөрөмжийг спин-электрон транзисторын үндсэн дээр хэрэгжүүлж болно.

Спинтроникийн боломж нь дээр дурдсан аль хэдийн боловсруулсан, эзэмшсэн технологиор хязгаарлагдахгүй. Энэ чиглэлийн ажил сүүлийн хорь гаруй жил үргэлжилж байгаа ч шинжлэх ухаан, техникийн шийдэгдээгүй олон асуудал бий. Жишээлбэл, одоо соронзон орон нь ферромагнетийн хэсгийн соронзлолыг өөрчлөхөд ашиглагддаг. Бид зөвхөн цахилгаан гүйдлийн тусламжтайгаар соронзон орон үүсгэж чаддаг тул (байнгын соронзыг тооцохгүй) орон зайн хязгаарлагдмал талбайд энэ соронзон орныг нутагшуулах асуудал гарч ирдэг. Энэ талбай бага байх тусам соронзон орчинд мэдээлэл хадгалах нягтрал өндөр байх болно (мэдээжийн хэрэг, тохирох соронзон материалыг сонгох талаар асуулт байсаар байна). Хатуу биеийн физикийн (Цюрих) болон Стэнфордын их сургуулийн лабораторид тодорхой эргэлттэй электронуудын урсгалыг ашиглан материалын соронзлолыг өөрчлөх боломжийг харуулсан туршилт явуулсан (ийм электронуудыг спин туйлширсан гэж нэрлэдэг). Туйлшсан гэрлийн улмаас үүссэн хагас дамжуулагч катодын фото ялгаралтыг ашиглан спин-туйлшсан электронуудын цацрагийг олж авсан. Энэ цацрагийг хэдэн нанометр зузаантай соронзон хальсаар дамжуулсан. Электронууд хальсаар дамжин өнгөрөхөд электронуудын эргэлт өөрчлөгддөг (энэ үзэгдлийг гэж нэрлэдэг прецесс ). Байгальд юу ч ул мөргүй өнгөрдөггүй тул соронзон хальсан дахь электронуудын эргэлтүүд бас өөрчлөгддөг бөгөөд энэ нь бодисын соронзлолд өөрчлөлт ордог гэсэн үг юм. Хэрэв дамжуулсан электронуудын тоог тухайн бодисын атомын тоотой харьцуулах боломжтой бол хальсны соронзлолын өөрчлөлт маш мэдэгдэхүйц байх болно. Эффектийг мэдээллийг бүртгэх, уншихад хоёуланд нь ашиглаж болно (электрон цацрагийн бага эрчимтэй үед). Энэ технологи нь хэдэн арван гигагерц хүртэлх соронзлолтын урвуу хурдыг (өөрөөр хэлбэл мэдээллийг унших, бичих) хангах боломжтой боловч үүнээс өмнө судлаачид үүнийг давах шаардлагатай болно.

явахад маш их зам байна.

Өөр нэг сонирхолтой нөлөө бол цэнэг шилжүүлэхгүйгээр цэвэр электрон урсгалыг бий болгох явдал юм. Туршилтаар эсрэг чиглэлтэй спинтэй электронуудын эсрэг хоёр урсгал үүссэн. Энэхүү гайхалтай эффектийг хоёр импульсийн туйлширсан лазерын тусламжтайгаар олж авсан бөгөөд тэдгээрийн нэгний давтамж нь нөгөөгийнхөө давтамжаас хагас юм. Тиймээс ээрэх цэнэгийн дамжуулалтыг боломжит ялгаагүйгээр хийсэн. Одоогийн байдлаар энэ үзэгдэл хэдэн арван нанометрийн зайд ажиглагдаж байгаа боловч энэ чиглэлээр цаашдын судалгаа үргэлжилж байна.

Спинтроникийн асуудлын нэг нь ашигласан материалтай холбоотой юм. Спинтроник нь ферромагнетыг шаарддаг бөгөөд тэдгээрийн соронзон шинж чанар нь электрон эргэлттэй холбоотой янз бүрийн эффектүүдийг үүсгэдэг. Гэхдээ ферромагнет нь метал бөгөөд орчин үеийн электроникууд нь хагас дамжуулагч дээр суурилдаг. Энэ нь транзистор дахь цахилгаан гүйдлийг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог хагас дамжуулагчийн шинж чанар юм - металлын хувьд ийм нөлөө үзүүлэх боломжгүй юм. Тиймээс электроны эргэлт ба цэнэгийг хоёуланг нь ашигладаг үр ашигтай төхөөрөмжийг бий болгохын тулд зайлшгүй шаардлагатай хагас дамжуулагч болох ферромагнет . Өрөөний температурт ч соронзон шинж чанараа алддаггүй шинэ хагас дамжуулагчийг Номхон далайн баруун хойд үндэсний лабораторид (АНУ) бүтээжээ. Энэ бодис нь кобальтын хольцтой титан исэл ба молекулын эпитаксигаар нанометрийн хальс хэлбэрээр ургуулдаг. Гүн вакуумд шаардлагатай харьцаатай атомын цацраг нь талст гадаргуу руу чиглэж, шаардлагатай болор бүтцийг бүрдүүлдэг.

Өөр нэг ижил төстэй материал нь эпитаксиаль хальс юм Галийн нэгдлүүдийн ээлжлэн давхарга: GaSb, GaMn. Энэхүү хагас дамжуулагчийн соронзон шинж чанар нь 130 ° C хүртэл хадгалагддаг бөгөөд энэ нь орчин үеийн технологийн хэрэгцээнд хангалттай юм.

Өөр нэг ирээдүйтэй чиглэл органик нэгдлүүдийн хэрэглээ . Калифорнийн их сургуульд (Riverside) температураас хамааран оптик, цахилгаан, соронзон шинж чанараа нэгэн зэрэг өөрчилдөг нэгдлүүдийг нэгтгэсэн. Ойролцоогоор 62 ° C-ийн температурт бодис нь тунгалаг (хэт улаан туяаны спектрийн) парамагнит тусгаарлагчаас тунгалаг бус диамагнит дамжуулагч болж хувирдаг. Ийм өвөрмөц шинж чанарууд нь зөвхөн спинтроникийн хувьд төдийгүй бусад ирээдүйтэй газрууд, жишээлбэл, фотоникийн хувьд сэтгэл татам болгодог. Шилжилтийн ажлын температур нь ашиглахад бага зэрэг өндөр байдаг нь үнэн боловч эрдэмтэд бодисын найрлагыг өөрчлөх замаар үүнийг бууруулна гэж найдаж байна.

Охайо мужийн их сургуульд судалгаа хийсэн хуванцар - ванадий тетрацианоэтанид . Органик шинж чанартай хэдий ч энэ нь 130 ° C хүртэл хадгалагдах соронзон шинж чанартай байдаг. Нэмж дурдахад хуванцар нь бусад материалаас илүү технологийн хувьд илүү дэвшилтэт бөгөөд энэ нь ирээдүйд хямд хуванцар санах ой бий болгох боломжийг олгоно.

Поликарбонат эсвэл хөнгөн цагаан оксид дахь металл утас хэлбэрийн нанокомпозитууд.Поликарбонат хальс нь цөмийн реактор дахь хүнд, өндөр энергитэй цэнэглэгдсэн хэсгүүдэд өртдөг. Поликарбонатаар дамжин өнгөрөхөд цэнэглэгдсэн хэсгүүд нь эвдэрсэн (өөрөөр хэлбэл, массивын бусад хэсгээс ялгаатай) бүтэцтэй ул мөр үлдээдэг. Дараа нь эдгээр мөрүүдийг төвлөрсөн шүлтийн уусмалд нааж, цилиндр хэлбэрийн нүх сүвээр жигд жигдэрнэ. Нүх сүвний нягтыг мембран реакторт байх хугацаагаар тодорхойлно. Мембраныг стандарт нүхний нягтрал 10 6, 10 8, 6-аар үйлдвэрлэдэг. 10 8, 10 9 ба 10 10 нүх/см2. Нүх сүвний диаметрийг хальсны цацрагийн хугацаа, уусмалын температур, концентраци, түүнчлэн сийлбэрлэх хугацаа зэргээс шалтгаалан 10-300 нм хүртэл өргөн хүрээнд авч болно. Мембрануудын зузаан нь нэгжээс хэдэн зуун микрон хүртэл байж болно, голч нь ихэвчлэн 13 мм байдаг. Аноджуулсан хөнгөн цагааны мембраныг мөн нано утсыг электродоор буулгахад ашиглаж болно. Олон давхаргат ба мөхлөгт нано утас хэлбэрээр бүтцийг үйлдвэрлэх нь зөвхөн нэг электролитээс мембраны нүхэнд электролитийн хуримтлуулах аргаар (Зураг) потенциостатик ба гальваностатик импульсийн горимд хийгддэг. Мембраны нэг тал дээр цахилгаан холбоо барихын тулд электродоор буулгахын өмнө нүхэнд ~0.01 μм алтны давхарга хийнэ (Зураг).

Цагаан будаа. Поликарбонат мембран ба бие даасан олон давхаргат нано утасны бүдүүвч зураг (зүүн талд). Мембран дээр алтны дэд давхаргыг хэрэглэх геометр (баруун талд).

Катодын гадаргуу бүхэлдээ электролитийн нөлөөлөлд өртдөг хавтгай электродоос ялгаатай нь нано утастай электродууд нь мембраны гадаргуугийн зөвхөн идэвхтэй буюу жинхэнэ хуримтлалын хэсэг гэж нэрлэгддэг хэсэг нь электролитэд өртдөг. Мембраны бүх талбайн нүхний тоо болон нэг нүхний талбайг мэдэх замаар үүнийг тооцоолж болно.

Цагаан будаа. Нано утасны өсөлтийн ердийн гүйдлийн муруй

В цэгийн дараа гүйдлийн өсөлт нь нүх сүв дээр гарч буй хальс эхэлснийг харуулж байна. Энэ нь 3.8 мкм-ийн нэрлэсэн зузаантай тохирч байна. Үүний дараа утаснууд гадаргуу дээр нийлж эхэлдэг бөгөөд утаснуудын дээр хагас бөмбөрцөг хэлбэртэй тагнууд гарч ирдэг. Зэсийн давхаргын зузаан нь ойролцоогоор 30 нм, Co-Ni хайлшийн зузаан нь 40 нм байна.

Цагаан будаа. Соронзон эсэргүүцэл хэмжих суурилуулах диаграмм (аварга соронзон эсэргүүцэл)

Соронзон эсэргүүцэлтэй хэмжилтийг хийхийн тулд дээд дамжуулагч контакт байх шаардлагатай. Энэ нь зарим материалыг мембраны дээд хэсэгт байрлуулах замаар хийгддэг. Нүх сүвийг дүүргэсний дараа хуримтлагдсан бодис нь хагас бөмбөрцөг хэлбэртэй аяга хэлбэрээр ургаж эхэлдэг бөгөөд дараа нь бие биетэйгээ нийлдэг (Зураг).

Талбай нь нано утасны тэнхлэгтэй параллель байх тохиолдолд тэдгээрийн гистерезийн гогцоо нь хялбар соронзлолын тэнхлэгийн дагуу соронзлолын урвуу шинж чанартай байдаг. Хэрэв гадаад талбар нь утасны тэнхлэгт перпендикуляр байвал энэ тохиолдолд бүх мөчийг энэ чиглэлд эргүүлэхэд илүү том талбайнууд шаардагдах бөгөөд үр дүн нь хүнд хэцүү тэнхлэгийн дагуу соронзлолын давталтын шинж чанар юм.

Спин-хавхлаг нано утасны бүтэц, соронзон ба соронзон эсэргүүцэл шинж чанарууд.Соронзон наноматериалуудын дунд олон давхаргат (эсвэл олон давхаргат) бүтэц онцгой байр суурь эзэлдэг. Энэ нь тэдгээрээс олдсон асар том изотроп соронзон эсэргүүцлийн нөлөөгөөр ихээхэн шалтгаална. Энэ үзэгдлийг судлах, мөн янз бүрийн соронзон микроэлектроник төхөөрөмжийг хөгжүүлэгчид нэг соронзон орон дахь цахилгаан эсэргүүцлийн өөрчлөлтийн хэмжээг нэмэгдүүлэх оролдлого нь олон давхаргат хальсны шинэ, илүү төвөгтэй гэр бүлийг бий болгоход хүргэсэн. бүтэцгэж нэрлэгддэг "эргэлтийн хавхлага" төрөл. Тэд аль хэдийн төлөөлдөг өөр өөр соронзон параметр бүхий хоёр биш, гурав ба түүнээс дээш давхаргын үе үе ээлжлэн солигдох. Энэ тохиолдолд тэдгээрийн соронзлолын урвуу үйл явц нь анизотроп юм. Хэрэглэсэн гадаад соронзон орон нь соронзлолын векторын чиглэлд өөрчлөгдөхөд, өмнө нь хатуу соронзон давхаргыг өөрийн албадлагын хүчнээс бага мужид ханасан хүртэл соронзсон бол зөөлөн соронзон давхарга нь энэ чиглэлд өөрийн хүчнээс доогуур талбарт дахин соронзлогдоно. . Мөн эсрэг чиглэлд - түүний албадлагын хүчнээс илүү талбарт. Эсрэг чиглэлд олон давхаргат бүтэц дэх бага ба өндөр коерцитив давхаргын соронзлолтын урвуу талбайн энэ ялгаа нь "хавхлага" нөлөөний мөн чанар юм. Зөөлөн ба хатуу соронзон давхаргын соронзон моментууд эсрэг параллель байх үед олон давхаргат бүтцийн төлөв байдал тогтворгүй байдаг. Эсрэг чиглэлтэй жижиг талбар нь бага хөшүүрэгтэй давхаргын соронзлолыг огцом эргүүлэхэд хүргэдэг. Тийм ч учраас соронзон эсэргүүцэлтэй элементийн өндөр мэдрэмжийг олж авах боломжтой.

Соронзон эсэргүүцлийн нөлөөллийн хэмжээг нэмэгдүүлэх өөр нэг хувилбар бол нано утас хэлбэрээр олон давхаргат бүтцийг үйлдвэрлэх явдал юм. Үүнд дангаараа хүрч байна наномембраны нүхэнд импульсийн электролитийн хуримтлалаар.Нано утаснуудын хувьд цахилгаан гүйдэл нь олон давхаргат бүтэц дэх давхаргын хоорондох интерфэйсүүдэд перпендикуляр байх үед соронзон эсэргүүцлийн эффектийн геометрийг хялбархан гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь хавтгай геометрийн ердийн олон давхаргат хальсанд боломжгүй юм. Энэ тохиолдолд бүх дамжуулагч электронууд нь соронзон моментуудын үе үе эсрэг параллель чиглэлтэй соронзон давхаргыг гатлахаас өөр аргагүй болдог тул тэдгээрийн тархалтын нөлөө нь ердийн олон давхаргат бүтэцтэй харьцуулахад илүү их байх болно. Гол бэрхшээл нь тунадасжилтын потенциалыг (эсвэл катодын гүйдлийн нягт D K) өөрчлөхдөө зөвхөн тэдгээрийг өөрчлөх замаар (эсвэл D K) хангалттай их зөрүүтэй байх үед ийм хуримтлуулах нөхцлүүдийг (ялангуяа электролитийн найрлага ба хуримтлуулах горимыг) сонгох шаардлагатай байдаг. найрлагад хүрч, соронзон давхаргын болор бүтэц, тиймээс тэдгээрийн албадлагын хүч нь мөн мэдэгдэхүйц ялгаатай байх болно. Эдгээр нөхцлийг CoFeP болон CoW хальснууд хангаж болох бөгөөд үүнд фосфор, вольфрамын агууламж нь одоогийн нягтралаас хамаардаг. Мөн жишээлбэл, бага гүйдлийн нягт (D K ~ 10-20 мА/см 2) үед фосфорын агууламж ~20-25 at.% хүрдэг. Энэ тохиолдолд CoFeP 25 хальс нь аморф соронзон зөөлөн бөгөөд ~5-10% -ийн фосфорын агууламжтай (D K 70 мА/см 2) поликристалл ба үүний дагуу соронзон хатуу байдаг. Кобальт-волфрамын системийн хувьд ч мөн адил.

Толгойгоороо бичиж, уншдаг хүмүүст ихэвчлэн ашигладаг аварга соронзон эсэргүүцлийн нөлөө (GMR),өнөөгийн хатуу дискүүдийн асар их багтаамжийг хангадаг квант механик нөлөө. GMR ашиглаж байна
Энэ нь нэг квадрат инч тутамд 100 гигабит санах ойн нягтралыг хангадаг. Орчин үеийн хатуу дискүүд нь хавтгайд чиглэсэн соронзон домэйнуудтай байдаг бол дараагийн үеийн хатуу дискүүд нь тэдгээрийг перпендикуляр чиглүүлдэг. Перпендикуляр бичлэг хийх техник (доорх зураг) нь мэдээллийн илүү нягт савлагаа өгөх болно. Гэхдээ энэ нь илүү мэдрэмтгий бичих, унших толгойг шаардах бөгөөд үүнийг илүү нарийн төвөгтэй туннелийн соронзон эсэргүүцэл (TMR) эффект ашиглан хийж болно. Энэ утгаараа
Компьютерийн хатуу дискийг нано технологийн бүтээгдэхүүн гэж үзэж болно.

Цагаан будаа. Аварга соронзон эсэргүүцэл (GMR) эффектийг хатуу дискэнд өргөн ашигладаг. Seagate Technology LLC (дээд). Соронзон бүсийн чиглэлийг өөрчлөх замаар өгөгдөл хадгалах нягтралыг нэмэгдүүлэх боломжтой. Перпендикуляр бичлэг
илүү өндөр хадгалах нягтыг хангадаг. VDI Technologiezentrum GmbH (доор)

Зөвхөн 2013 оны 2-р сард мэдээллийн технологийн хэвлэл мэдээллийн хэрэгслүүд спинтроникийн салбарт гарсан ололт амжилтын талаар маш гайхалтай мэдээллүүдийг нийтэлжээ. Өөрөөр хэлбэл, зөөвөрлөгчийн бөөмсийн цахилгаан цэнэг биш, харин тэдний эргэлтэнд тулгуурладаг шинэ, огт өөр төрлийн электрон төхөөрөмжүүдийн тухай - бөөмсөнд агуулагдах квантын шинж чанар нь компьютерийн технологийн жинхэнэ хувьсгалыг амлаж байна.

Энэ бол спинтроникийн хамгийн сүүлийн үеийн мэдээнүүдийн зарим нь юм шиг харагдаж байна.

Хойслерийн нэгдлүүд гэж нэрлэгддэг спинтрон санах ойн чип бүтээх судалгааг амжилттай хийсэн Германы хоёр их сургууль болох Майнц, Кайзерлаутерн улсаас 3.8 сая еврогийн их хэмжээний буцалтгүй тусламж авч, хөгжсөн технологийг хурдан хугацаанд авчирсан. үйлдвэрлэлийн массын үйлдвэрлэлийн үе шатанд .

Британийн Кембрижийн их сургуулийн эрдэмтэд электроникийн судалгааны хамгийн дэвшилтэт хоёр чиглэл болох 3D чип, спинтроникийг хөгжүүлэлтдээ нэгтгэж чаджээ. Үүний ачаар тэд "дэлхийн анхны спинтроник 3D процессор" -ын прототипийг бүтээж, үзүүлж чадсан (ишлэлийг энд оруулах шаардлагатай, учир нь энэ нь үнэн хэрэгтээ энэ нь бүрэн хэмжээний процессороос хол байгаа боловч судлаачдын бүтээлч амжилтанд хүрэх боломжгүй юм. эргэлзэж байна).

Герман дахь Гёттингений их сургуулийн мэргэжилтнүүд тогтвортой спинтроник санах ойн эсийн үүрэг гүйцэтгэх хиймэл органик бодисын молекулыг гаргаж, нэгтгэж чаджээ. Энэхүү жижигрүүлэх түвшинд хямд органик материал дээр суурилсан спинтрон санах ойн төхөөрөмж нь ойролцоогоор нэг инч хэмжээтэй чип дээр ойролцоогоор петабайт өгөгдлийг (мянган терабайт буюу сая гигабайт) хадгалах боломжтой.

Хэрэв бид энэ багц мэдээн дээр сүүлийн үеийн, маш гайхалтай мэдээллүүдийг нэмж оруулбал спинтроник технологийг аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэлийн үе шатанд аль хэдийн ойртуулсан АНУ, Япон болон бусад орнуудын судалгааны бусад төвүүдийн амжилтын тухай өгүүлбэл. Энэ нь тодорхой болж байна: томоохон өөрчлөлтүүд үнэхээр ирж байна.

Ердийн хагас дамжуулагч электроникийг ямар төрлийн мэдээллийн технологи орлож байгааг илүү тодорхой ойлгохын тулд спинтроникийн онцлог шинж чанаруудыг нарийвчлан авч үзэх нь зүйтэй болов уу. Энэ технологи яагаад ийм сонирхол татахуйц байдаг вэ, түүнийг хөгжүүлэхэд хамгийн хэцүү асуудлууд юу вэ, эцэст нь бид эдгээр бэрхшээлийг даван туулж, даван туулж чаддаг ...

⇡ Байгалийн хувилбар

Мэргэжилтнүүдийн дунд бидний амьдралд удаан хүлээгдэж буй спинтроникууд гарч ирэхэд тодорхой саатал гарсан нь юуны түрүүнд уламжлалт хагас дамжуулагч технологийн салбарт маш тогтвортой, амжилттай ахиц дэвшил гарсантай холбоотой гэсэн дүгнэлтийг олонтаа сонсож болно. Өөрөөр хэлбэл, шинэ технологи бий болох цаг нь зөвхөн хуучин нь хэвээр байгаа учраас ирээгүй.

Бидний мэдэж байгаачлан Мурын эмпирик хууль нь ямар ч байдлаар нотлогдохгүй, хагас зуу гаруй жил тогтмол ажиллаж байгаа дүрмийг тогтоодог. Эрдэмтэд, инженерүүдийн хүчин чармайлтын ачаар ердийн микро схемийн элементүүдийн тоо, өөрөөр хэлбэл чипүүдийн гүйцэтгэл нь жил хагас тутамд ойролцоогоор хоёр дахин нэмэгдсээр байна.

Яагаад ийм зүйл болсон нь тодорхойгүй байна. Гэхдээ энэ нь эцэс төгсгөлгүй үргэлжлэх боломжгүй гэдгийг бүгд ойлгодог. Одоогийн чипийн загвар нь физик хязгаар руугаа хурдацтай шилжиж байна. Эс тэгвэл литограф, материал, хөргөлт зэрэг технологийн бүх мэдэгдэж байгаа асуудлууд нь тэдгээрийг даван туулах нь туйлын боломжгүй, гэхдээ хэтэрхий үнэтэй, үр дүнгүй байдалд хурдан ойртож байна.

Товчхондоо, нэг талаараа өөр зүйл шаардах нь тодорхой. Нөгөөтэйгүүр, энэ өөр зүйл яг ямар байх нь гарцаагүй гэсэн ойлголт эрт дээр үеэс бий болсон.

Бодисын хэсгүүдэд спин гэж нэрлэгддэг тусгай шинж чанар байдаг нь ихэвчлэн дээд талын эргэлтийн тэнхлэг эсвэл соронзон зүүний хоёр туйлтай адилтгаж дүрсэлсэн байдаг нь квант механикийн эхэн үед тогтоогдсон. Электроны квант спин нь ердийн байдлаар "спин-ап" ба "доош эргэх" гэж нэрлэгддэг хоёр боломжит утгыг авдаг тул энэ загварт мэдээллийн технологийн маш ирээдүйтэй боломж нэлээд эрт ажиглагдсан. Үнэн хэрэгтээ байгальд эргэх чиглэлд 1 эсвэл 0-ийн аль нэгийг кодлодог хоёртын мэдээллийн бэлэн зөөгч байдаг.

Хамгийн гайхалтай нь бид микроэлектроник хувьсгалын үндэс, цөмд анх орсон ижил электроны тухай ярьж байна. Бараг бүх хагас дамжуулагч бичил схемүүд нь транзисторууд дээр суурилагдсан бөгөөд тэдгээрийн үйл ажиллагаанд гол үүрэг нь электронуудын хөдөлгөөнд оролцдог. Илүү нарийвчлалтай, электронуудад байдаг цахилгаан цэнэгийн хөдөлгөөн. Хагас дамжуулагчийн салбарт бараг 90 жилийн өмнө нээсэн электрон эргэлтийг үл тоомсорлодог ч үнэндээ ...

Гэсэн хэдий ч Мурын хууль үргэлжлүүлэн ажиллах ёстой гэдэгтэй хүн бүр санал нийлж байгаа тул spintronics гэсэн ерөнхий нэрийн дор технологи нь ердийн микроэлектроникийн хамгийн байгалийн бөгөөд нэгэн зэрэг дэвшилтэт хувилбар болж байна. Энэ нэрийг ихэвчлэн SPIN TRansport electrONICS, өөрөөр хэлбэл "спин дамжуулалт дээр суурилсан электроник" гэж тайлсан байдаг.

Шинэ технологийн давуу тал, ашиг тусын масс өдөр ирэх тусам нэмэгдсээр байна. Хамгийн чухал нь хурд, үр ашиг юм. Эцсийн эцэст электроны эргэлтийг хэлхээний дагуу цэнэгийг хөдөлгөхөөс хамаагүй бага хугацаанд нэг төлөвөөс нөгөөд шилжүүлэх боломжтой бөгөөд энэ нь хамаагүй бага энерги зарцуулдаг. Дээрээс нь эргэх дамжуулалтын үед тээвэрлэгчийн кинетик энерги өөрчлөгддөггүй бөгөөд энэ нь бараг ямар ч дулаан ялгардаггүй гэсэн үг юм.

Технологийн эдгээр бүх шинж чанаруудыг нэгтгэж үзвэл, спин ба спин гүйдэлд (ижил туйлшралтай электрон эргэлтийн урсгал) тулгуурлан нэгдсэн хэлхээний ердийн транзисторыг орлох мэдэгдэхүйц шинэ транзистор, логик болон санах ойн эсүүдийг бий болгох боломжтой болгодог. Энэ нь эргээд электроникийг жижигрүүлэх чиг хандлагыг үргэлжлүүлэн баримтлах боломжийг бидэнд олгоно.

Энэхүү технологийг хөгжүүлэхийн зэрэгцээ спинтроник нь цоо шинэ төрлийн төхөөрөмжийг бий болгох замыг нээж өгдөг. Гэрэл ялгаруулах диод (LED) зэрэг нь зүүн эсвэл баруун гараараа дугуй хэлбэртэй туйлширсан гэрлийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь хамгаалалт, кодчилол, оптоэлектроник холбооны нягтралын салбарт ашиглахад маш их хэрэгтэй байдаг. Хэрэв та ирээдүй рүү бага зэрэг харвал квант компьютерын дизайны үндсэн элементүүд болох кубит болгон ашиглаж болох ийм спинтроник төхөөрөмжүүд аль хэдийн гарч эхэлсэн байна.

Гэхдээ хагас дамжуулагчийн салбарт спинтроник хувьсгал гарахын тулд сүүлийн арван жилийн турш судлаачдын хайж байсан технологийн оновчтой бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг олох шаардлагатай байна. Ерөнхийдөө гурван үндсэн ажил байдаг:

1. эргэлтийн төлөвийг хэлхээнд шахах арга (өөрөөр хэлбэл "шүргэх");
2. хэлхээний дотор эргэх эргэлт хийх;
3. боловсруулсны дараа электронуудын эргэлтийн төлөвийг илрүүлэх.

Эдгээр материалууд нь ойрын ирээдүйд электроникийн үндсэн физик суурь хэвээр байх магадлалтай тул эдгээр бүх асуудлыг хагас дамжуулагч орчинд шийдвэрлэх нь зүйтэй юм.

Электронуудын эргэлтийг зохицуулах нь харьцангуй энгийн бөгөөд боловсронгуй биш зүйл гэж тооцогддог (учир нь ээрэх нь луужингийн зүү шиг соронзон орныг солиход маш мэдрэмтгий хариу үйлдэл үзүүлдэг). Гэхдээ масс үйлдвэрлэх практик хэрэглээнд эмзэг эргэлтэнд найдвартай форсунк, детектор бий болгох нь асар том асуудал хэвээр байна.

⇡ Туршилтын талбай ба хөөрөх талбай

Спинтроникийн ерөнхий байдлыг илүү тодорхой болгохын тулд электрон спиний манипуляци нь өнөөдөр том бөгөөд хөгжсөн бизнес гэдгийг онцлон тэмдэглэх нь зүйтэй. Гэхдээ зөвхөн хагас дамжуулагчийн үйлдвэрээс гадуур. Үнэн хэрэгтээ метал дээр суурилсан спинтроник төхөөрөмжүүд одоо хаа сайгүй байдаг - манай гараг дээрх бараг бүх компьютерийн хатуу дискэнд байдаг.

1988 оны сүүлээр давхаргат бүрэх бүтцэд (соронзон бус металлын давхаргаар тусгаарлагдсан ферромагнетийн хоёр нимгэн давхарга) эргэх туйлширсан электронуудын урсгалыг эсрэг туйл руу шилжүүлснээр мэдэгдэхүйц өөрчлөгдөх боломжтой болохыг олж мэдсэн. гадаад соронзон орон. GMR буюу аварга соронзон эсэргүүцэл гэж нэрлэгддэг энэхүү эффект нь илүү мэдрэмтгий соронзон толгойг бий болгож, үүний дагуу хавтан дээрх хоёртын өгөгдлийг кодлох соронзон домайнуудын хэмжээг багасгах боломжийг олгосон. Өөрөөр хэлбэл хатуу соронзон дискний мэдээллийн багтаамж ихээхэн нэмэгдсэн байна.

Spin manipulation-хоёр металлын хооронд электрон эргэлтийг шилжүүлэх нь АМГ-ын гол цөм нь соронзон эсэргүүцэлтэй санамсаргүй хандалтын санах ой юм. Энэ нь цахилгаан тэжээлгүйгээр мэдээлэл хадгалах шинэ төрлийн компьютер хадгалах төхөөрөмж юм.

АМГ-ын үйл ажиллагааны физик нь GMR-ийг санагдуулдаг бөгөөд туннелийн соронзон эсэргүүцэл (TMR) гэж нэрлэгддэг эффект дээр суурилдаг. Энд ферросоронзон металлын хоёр давхаргыг хөнгөн цагааны исэл эсвэл магнийн исэл зэрэг нимгэн тусгаарлагч материалаар тусгаарладаг.

Хэрэв GMR-д сонгодог диффузийн улмаас нэг ферросоронзон давхаргаас нөгөө рүү эргэх туйлширсан электронууд удаан шилжиж байгаа бол TMR загварт тусгаарлах давхаргаар дамжин цэвэр квант хонгилын шилжилт явагддаг (бөөнцөр дамжин өнгөрөх сонгодог хориотой процесс). түүний кинетик энергийг давсан боломжит саадаар).

Ийм төрлийн төхөөрөмжийг соронзон туннелийн уулзвар буюу MTJ (соронзон хонгилын уулзвар) гэж нэрлэдэг. Эффектийн гол онцлог нь хонгил үүсгэх, улмаар хаалтаар дамжих эргэлт нь зөвхөн бөөмийн эргэлтийг "зөв" чиглүүлсэн тохиолдолд л тохиолдох болно.

Хэдийгээр ээрэхээс хамааралтай туннелчлалыг 1975 онд анх харуулсан боловч ихэнх квант үзэгдлийн нэгэн адил энэ нь зөвхөн маш бага температурт ажилладаг байв. Өрөөний температурт үүнийг хийх боломжтой гэдгийг 1995 онд л харуулсан.

Гэсэн хэдий ч эхлээд ферросоронзон давхарга дахь бөөмсийн эргэлдсэн эргэлтийг зөвхөн 12-18% электроны хувьд параллель төлөвөөс эсрэг-параллель төлөвт шилжүүлэх боломжтой байсан нь практик төхөөрөмжүүдэд хангалтгүй хэвээр байна. Гэсэн хэдий ч 1990-ээд оны эцэс гэхэд хөгжүүлэгчдийн дунд эрчимтэй оюуны довтолгоо, санхүүгийн зохих хөрөнгө оруулалт нь асуудлыг шийдвэрлэхэд хүргэсэн: хүссэн харьцаа 70% хүртэл нэмэгдсэн.

Түүгээр ч барахгүй 2000-аад оны дунд үе гэхэд металл ба исэлдлийн давхаргын хоорондох атомын зузаан хавтгай интерфэйсийг хангасан хамгийн сүүлийн үеийн технологиуд нь уялдаатай хонгилын тусгай эффектийн ачаар TMR-ийн утгыг 400% -д хүргэх боломжтой болсон.

Үүний үр дүнд хонгилын соронзон эсэргүүцэл дээр суурилсан АМГ-ын санах ойн массивуудыг арван жилийн эцэс гэхэд үйлдвэрлэж, худалдаанд гаргасан. Тэгэхээр ойрын ирээдүйд технологи хямдрахын хэрээр АМГ-аас шууд унтардаг гэр ахуйн компьютер хийх боломжтой болох юм. Аз болоход системийн төлөв хурдан бөгөөд тогтворгүй санах ойд хадгалагдах болно.

⇡ Инжектор ба илрүүлэгч

Энэ шалтгааны улмаас спинтроник санах ойн тухай өмнөх өгүүллийн дэлгэрэнгүй мэдээлэл хэрэгтэй байсан. Энэ түүхийн гол санаанууд нь технологийн онцлогоос эхлээд түүнийг үзүүлэнгийн дээжээс олноор үйлдвэрлэсэн бүтээгдэхүүн болгон хувиргах ерөнхий замнал хүртэл спинтроникийн хагас дамжуулагч чип хүртэлх замтай маш төстэй юм.

Магадгүй хамгийн чухал ялгаа нь TMR эффект нь хүссэн эргэлтийн төлөвтэй олон тооны электронууд дээр суурилдаг бөгөөд ферросоронзон металл ба тусгаарлагч металлын исэл хоорондын интерфейсээр дамжин шилжих үед үүнийг хадгалдаг явдал юм.

Хагас дамжуулагч спинтроник төхөөрөмжийг ашиглах боломжтой болохын тулд электронуудын ижил төстэй байдалд хүрэх шаардлагатай, гэхдээ зөвхөн хагас дамжуулагч ба материалын хооронд үүссэн интерфэйсүүдээр дамжуулан эргүүлэх инжектор эсвэл эргүүлэх детектороор ажилладаг.

Цахиур ба галлийн арсенид нь энэ салбарт хамгийн өргөн хэрэглэгддэг хоёр хагас дамжуулагч тул хөгжүүлэгчдэд тулгардаг гол асуудал бол ээрэх туйлширсан материалыг (электрон спиний ихэнх хэсэг нь тодорхой чиглэлд нийцдэг бодис) олох явдал юм. тэд.

Энэ төрлийн материалыг удаан бөгөөд хэцүү эрэлхийлсэн түүхийг бичихээс хол байна. Мэдээжийн хэрэг, бид энэ хамгийн хэцүү асуудлыг шийдвэрлэхийн тулд дэлхийн олон лабораторид янз бүрийн амжилттай хэрэглэгдэж байсан хэд хэдэн өөр аргуудын талаар ярьж болно. Гэхдээ энэ сэдвийг одоохондоо алгассан нь дээр байх.

Учир нь 21-р зууны эхний арван жилийн эцэс гэхэд спинтроникийг микро схемийн үйлдвэрлэлд нэвтрүүлэх талаархи бүх судалгааны үр дүн иймэрхүү харагдаж байв. Орон нутгийн олон амжилтыг үл харгалзан, ерөнхийдөө хэн ч өрөөний температурт ажилладаг, хагас дамжуулагч спинтроникийн практик төхөөрөмжид ашиглахад тохиромжтой тохиромжтой (ферросоронзон хагас дамжуулагч) материалыг олж чадаагүй байна ...

Гэсэн хэдий ч ийм таагүй үр дүн гарсан ч энэ нь ахиц дэвшил зогссон, зогссон гэсэн үг биш юм.

⇡ Гейслерийн нэгдлүүд

2010 оны зун Германы Майнцын их сургуулийн физикчдийн нээлтийг Nature сэтгүүлээр дамжуулан нийтэлсэн нь спинтроникийн түүхэнд маш чухал үйл явдал болсон юм. Энэ их сургууль нь Хойслерийн нэгдлүүдийг судлах дэлхийн гол төвүүдийн нэг гэдгээрээ удаан хугацаанд нэр хүндтэй байсан (эдгээр материалын онцлог шинж чанаруудын талаар дараа нь).

"топологийн тусгаарлагч" гэж нэрлэгддэг Хойслерийн нэгдлүүдэд материйн маш онцгой квант төлөвийг нээсэн эрдэмтдийн шинэ нээлтийн ачаар спинтроник технологийг хөгжүүлэх шинэ гайхалтай хэтийн төлөв нээгдэв. Зөвхөн санах ойн төхөөрөмжүүдийн салбарт төдийгүй хагас дамжуулагч чип, шинэ цахилгаан батерей болон бусад олон сонирхолтой хэрэглээнд зориулагдсан.

Эдгээр Geisler материалууд юу вэ?

Юуны өмнө, ерөнхийдөө Германы Хойслер овгийг Хойслер гэж унших ёстой гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Гэсэн хэдий ч олон зуун жилийн Оросын уламжлалын дагуу гадаад нэр, нэрийг бид өөрсдийнхөөрөө дууддаг. Дэлхийд Гейне хэмээн алдаршсан яруу найрагчийг манайд Гейне гэдэг. Бид Хадсон Бэй Хадсон гэж дууддаг. Үүнтэй ижил шалтгаанаар 1900-аад оны эхээр энгийн металлын хайлшийн ер бусын шинж чанарыг олж илрүүлсэн инженер-эрдэмтэн Фридрих Хойслерыг Орост хуучин хэв маягаар Хойслер гэж нэрлэдэг.

Олон жилийн турш Гейслерийн материалууд дараах шалтгааны улмаас шинжлэх ухааны судалгааны анхаарлын төвд байсаар ирсэн. Гурван үндсэн элементийн харьцангуй энгийн химийн нэгдлүүд болох Heusler нэгдлүүд нь янз бүрийн физик шинж чанартай байж болно.

Тиймээс эдгээр нэгдлүүдийн хамгийн алдартай өвөрмөц онцлог нь тэдгээрийг бүрдүүлдэг элементүүдээс байгалийн жам ёсоор хүлээгдэж буй шинж чанараас өөр шинж чанарыг харуулдаг. Жишээлбэл, Гейслерийн анхны нэгдэл нь соронзон бус элементүүд - зэс, манган, хөнгөн цагаанаас хийгдсэн. Гэсэн хэдий ч тэдний Cu 2 MnAl хайлш нь өрөөний температурт ч ферромагнет шиг ажилладаг. Үүний нэгэн адил, гурван металлыг өөр хослолд нэгтгэвэл үр дүн нь хагас дамжуулагч болно.

Бага зэрэг нарийвчлан авч үзвэл, Хойслерийн нэгдлүүд нь X2YZ томьёогоор илэрхийлэгдсэн маш ерөнхий бүтэцтэй материал юм (үүнд X, Y нь шилжилтийн металлууд, Z нь үелэх системийн III-V бүлгийн элементүүд юм). X, Y, Z элемент бүрийг 10 орчим нэр дэвшигчээс сонгох боломжтой тул Хейслерийн боломжит материалын нийт тоог ойролцоогоор 1000 орчим гэж тооцдог (үүн дээр XYZ-ийн тодорхойлсон "хагас Heuslers" гэж нэрлэгддэг. томъёо, мөн олон тооны сонирхолтой шинж чанаруудтай).

Суурь нь төвөггүй, уян хатан бүтэцтэй тул Heusler нэгдлүүдийн хүссэн шинж чанарыг найрлагыг нь тохируулах замаар тохируулах боломжтой. Өөрөөр хэлбэл, судлаачид үйлдвэрлэхэд хялбар маш өргөн хүрээтэй бодисуудтай бөгөөд ихэвчлэн олон нийтэд нээлттэй харьцангуй хямд бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс бүрддэг боловч нэгэн зэрэг маш чамин ферромагнит эсвэл хагас дамжуулагч шинж чанартай материалыг олж авах боломжтой болгодог.

Үүний ачаар, ялангуяа Heusler нэгдлүүд нь дулааныг шууд цахилгаан болгон хувиргах чадвартай нарны зай болон бусад дулааны цахилгаан үүсгүүрийг үйлдвэрлэхэд маш ирээдүйтэй материал гэж тооцогддог. Жишээлбэл, бүтцийн хэсгүүдийг хөдөлгөхгүйгээр машин, төхөөрөмжийн барьцааны дулааныг бий болгох процессоос цахилгаан эрчим хүчийг бий болгох.

2000-аад оны дундуур анхны онолчид, удалгүй туршигчид топологийн тусгаарлагч гэж нэрлэгддэг бодисын цоо шинэ төлөвийг олж илрүүлэхэд хэсэг хугацааны дараа энд ч Хойслерийн нэгдлүүд маш ашигтай материал болох нь тодорхой болсон.

Сүүлийн 6-7 жилийн хугацаанд топологийн тусгаарлагч буюу товчоор TI нь хатуу биетийн физик, материал судлалын салбарт маш халуун судалгааны сэдэв байсаар ирсэн. TI-ийн гол шинж чанар нь эдгээр материалууд нь үнэндээ тусгаарлагч эсвэл хагас дамжуулагч боловч тэдгээрийн гадаргуу нь дамжуулагч металл шиг ажилладаг боловч метал нь ердийнхөөс хол байдаг. Хэт дамжуулагчийн нэгэн адил TI-д электронууд нь хүрээлэн буй орчинтойгоо харьцахгүйгээр гадаргуугийн дагуу хөдөлдөг - учир нь тэдгээр нь урьд өмнө мэдэгддэггүй квант "топологийн хамгаалалт" төлөвт байдаг.

Үүний зэрэгцээ хэт дамжуулагчийн физикээс эрс ялгаатай нь TI-ийн өөр нэг өмч юм. Топологийн тусгаарлагчид гадаргуу дээр нэг биш, харин хоёр гүйдэл байдаг бөгөөд тэдгээр нь хоорондоо харилцан үйлчлэлцдэггүй - эсрэг чиглэлд урсдаг эргэлтийн чиглэл тус бүрт нэг гүйдэл байдаг.

Материалын бүтцийн согог, бохирдолд өртөөгүй эдгээр хоёр тогтвортой эргэлтийн гүйдэл нь спинтроникт (мөн квант мэдээллийн шинжлэх ухааны бусад хэрэглээнд - квант гэх мэт) ашиглахаар бүтээгдсэн байх нь ойлгомжтой. компьютер).

Иймээс эрдэмтэд эртнээс судалж, эзэмшиж байсан Хайслерийн материалууд яг ийм гайхалтай шинж чанартай болох нь тогтоогдсон үед шинжлэх ухааны нийгэмлэгт ямар хүчтэй сонирхол, тэр ч байтугай хэрцгий сэтгэл догдолж байсныг төсөөлж болно. TE шинж чанарууд.

Ийм сэтгэл хөдөлгөх хэд хэдэн шалтгаан бий.

Нэгдүгээрт, Гейслерийн нэгдлүүдийг сонирхох нь мэргэжилтнүүдийн "хагас металл" шинж чанарыг харуулах чадвараас үүдэлтэй юм. "Хагас металл шинж чанар" гэсэн нэр томьёо нь тухайн материал нь нэг ээрэх бүрэлдэхүүн хэсэгтэй электронуудын метал шинж чанарыг (эргэдэг электронууд гэх мэт) болон өөр эргэлтийн чиг баримжаатай (доош эргэх гэх мэт) тусгаарлагч шинж чанарыг нэгэн зэрэг хангах чадвартай болохыг хэлнэ. ). Үүний зэрэгцээ, материалууд нь эргэлтийн туйлшралын түвшинг 100% харуулж чаддаг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг эргүүлэх туйлшруулагч (инжектор) эсвэл эсрэгээр эргүүлэх детекторын хувьд хамгийн тохиромжтой нэр дэвшигч болгодог.

Хоёрдугаарт, Гейслерийн нэгдлүүд нь 1000 гаруй төлөөлөгчтэй маш том төрлийн материал биш юм. Тооцооллын дагуу энэ нь топологийн тусгаарлагчийн онцлог шинж чанартай 50 гаруй нэгдлүүдийг агуулдаг.

Энэ нь мөн "гуравдугаарт" дагадаг: ийм олон янз байдлын ачаар одоо зөвхөн хүссэнийг нь сонгох төдийгүй цоо шинэ физик эффектүүдийг бий болгох боломжтой болсон. Эдгээр материалууд нь гурван элементээс бүрддэг тул топологийн гадаргуугийн хамгаалалтын квант төлөвөөс гадна бусад олон сонирхолтой шинж чанаруудыг санал болгож чадна гэдэг нь аль хэдийн тодорхой болсон.

Ялангуяа хэт дамжуулалт ба топологийн гадаргуу хоорондоо харилцан үйлчлэх үед хэд хэдэн ер бусын квант төлөвийг нэг материалд нэгэн зэрэг нэгтгэх боломжтой болсон. Энэ нь цоо шинэ, туршилтаар хараахан нээгээгүй шинж чанаруудад хүрэх замыг нээж өгдөг бөгөөд заримыг нь онолын хувьд аль хэдийн таамаглаж байсан ...

Дөрөвдүгээрт, эцэст нь, шинэ Heusler нэгдлүүдийг боловсруулах нь материалын хүссэн шинж чанарыг бий болгох цорын ганц арга зам биш юм. Өөр нэг ирээдүйтэй хувилбар бол аль хэдийн сайн мэддэг материалыг өөрчлөх явдал юм, учир нь тэдгээр нь хүссэн шинж чанарт тохирсон бүтэцтэй байж болно. Түүгээр ч барахгүй ийм "засварын ажил" нь эцэстээ шинэ гэж үзэж болох материалыг бий болгож чадна.

Сайн боловсруулсан материалыг өөрчлөх ердийн процедурын нэг бол ион суулгац юм. Энэ үйл ажиллагаанд стандарт материалын дээжийг ионуудын цацрагаар эмчилдэг бөгөөд энэ нь болор торонд өөрчлөлт үүсгэж, материалын бүтцэд нэмэлт бодис хэлбэрээр шингэсэн хэвээр үлддэг. Үүний дараа материалын шинэ шинж чанар нь нэг дор хоёр хүчин зүйлийн үр дүн юм: "бөмбөгдөлтийн" улмаас үүссэн бүтцийн өөрчлөлт, бүтцэд шинэ атомууд байгаа эсэх.

Спинтрониктэй холбоотой эдгээр бүх чухал нээлтүүдийг нэгтгэн дүгнэж үзвэл, Хайслерийн нэгдлүүд энд гол үүрэг гүйцэтгэх ёстой гэж бид аль хэдийн итгэлтэйгээр хэлж чадна. Учир нь эдгээр материалууд нь хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлийн стандарт үйлдвэрлэлийн технологитой ердийн ферромагнетыг хослуулахаас сэргийлж байгаа саад бэрхшээлийг даван туулах цоо шинэ арга замыг олгох нь тодорхой юм.

⇡ 3D-ээр Spintronics

Heusler материалууд нь цаашдын ахиц дэвшилд маш ирээдүйтэй чиглэл болох нь дамжиггүй. Гэхдээ энэ нь өнөөдөр спинтроникийг хөгжүүлэх бараг цорын ганц зам гэсэн худал сэтгэгдэл төрүүлэхгүйн тулд бусад сонирхолтой үйл явдлуудыг тоймлох нь зүйтэй болов уу. Органик материал дээр суурилсан спинтроник гэх мэт. Эсвэл спинтроник замын санах ой (соронзон уралдааны замын санах ой, MRM). Эсвэл эцэст нь соронзон хонгилын уулзвар дээр суурилсан спинтрон эрчим хүчний эх үүсвэрүүд.

Гэсэн хэдий ч нийтлэлийн урт нь уян хатан биш тул энд тоймдоо дүгнэлт болгон өөр нэг гайхалтай, цоо шинэ хөгжлийн тухай товч өгүүллээр хязгаарлах болно. Үүнийг Кембрижийн их сургуулийн эрдэмтэд хийсэн бөгөөд орчин үеийн электроникийн хамгийн ирээдүйтэй хоёр чиглэл болох спинтроник болон 3D чипийг нэгтгэсэн.

Олон давхаргат, эсвэл овоолсон, тэдний хэлснээр 3D чипийн дизайны санаа нэлээд удаан хугацаанд, дор хаяж 1990-ээд оноос хойш хэрэгжиж ирсэн. Үзэл санааны мөн чанар нь маш энгийн. Хэрэв бид одоогийнхтой ижил цахиурын суурь дээр 100 орчим давхаргын интеграл хэлхээг хавтгай биш, харин үнэхээр гурван хэмжээст буюу давхаргууд хоорондын олон холболттой хийж сурвал Мурын хууль үргэлжлүүлэн ажиллах магадлалтай. Наад зах нь дахиад 15 жил.

Гэхдээ 3D чип зохион бүтээгчдийн өмнө тулгараад байгаа хамгийн том сорилтуудын нэг бол уламжлалт электрон төхөөрөмжид найдах нь давхаргын хооронд мэдээлэл дамжуулах үнэхээр сайн аргыг хэзээ ч гаргаж чадахгүй байгаа явдал юм. Хэрэв та энэ асуудалд ердийн хэлхээний транзисторуудад найдаж байгаа бол үүнээс болж цахилгаан зарцуулалт мэдэгдэхүйц нэмэгдэж, овоолсон загварт дулааныг зайлуулах нь эсрэгээрээ илүү төвөгтэй болно - учир нь ихэнх элементүүд одоо дотоод давхаргад нуугдаж байна. чипээс.

Өөрөөр хэлбэл, 3D чип дизайн хийх уламжлалт арга нь болхи, үнэтэй төдийгүй дулаан ялгаруулалтыг боломжийн хэмжээнд барьж чаддаггүй. Энэ бүхэн нь микро схемийн гурван хэмжээст дизайнд давхаргын хооронд мэдээлэл дамжуулахын тулд өөр зүйлд найдах нь зүйтэй гэсэн үг юм.

Кембрижийн Кавендиш лабораторийн эрдэмтэд үүний тулд спинтроник ашиглахаар шийджээ. Өөрөөр хэлбэл, 3D чипүүдийн ердийн овоолсон олон давхаргат загварт тэд бөөмсийн квант эргэлтийн үндсэн дээр ажилладаг босоо давхарга хоорондын холболтын гайхалтай механизмыг гаргаж, хэрэгжүүлсэн.

Тэд өөрсдийн бүтээн байгуулалтыг "spintronic shift register" гэж нэрлэсэн бөгөөд энэхүү загвар нь нэг төрлийн квант ратчет механизм шиг ажилладаг - битээр кодлогдсон өгөгдөл болон командуудыг нэг давхаргаас нөгөө рүү нэг чиглэлтэй, хамгийн бага эрчим хүчний зарцуулалтаар шахдаг ба үүний дагуу бараг байхгүй. дулаан үүсэх.

Энэхүү "босоо бүртгэл" нь нэлээд ухаалаг олон давхаргат сэндвич бүтэц хэлбэрээр хэрэгжсэн бөгөөд энд хэдхэн атомын зузаантай хоёр өөр төрлийн металл давхаргыг ээлжлэн давхарлан байрлуулсан байдаг. Сэндвич давхаргын шинж чанарыг соронзон орны туйлшралын хоёр эргэлт тутамд мэдээллийн битийн байрлалыг "нэг бүртгэлийн нүдээр" дээш шилжүүлэхээр сонгосон.

Өөрөөр хэлбэл, соронзон давхарга (эсвэл эс) 12 дахь тодорхой "spin-up" домэйн, жишээ нь, соронзон орныг хоёр удаа сольсны дараа нүдэнд (соронзон давхарга) гарч ирдэг 13. Домэйн энэ механизм давхаргуудаар дамждаг- Чипийн шал нь үнэндээ энэ загварт ээлжийн бүртгэлийн үндсэн горим байдаг.

Төхөөрөмжийг лабораторид үзүүлэхээс эхлээд түүн дээр суурилсан спинтроник 3D процессоруудыг олноор үйлдвэрлэх хүртэлх зам маш урт байх нь ойлгомжтой. Гэхдээ үзүүлсэн технологи нь үнэхээр шинэлэг, үйлдвэрлэлийн бүрэн стандарт горимд тулгуурладаг бөгөөд цаашдын хөгжилд (одоогоор) ямар ч үндсэн саад тотгор байхгүй гэдэгт эргэлзэхгүй байна.

Шинээр төрсөн технологийн хувьд энэ нь маш их зүйл гэдгийг хүлээн зөвшөөрч болно.

Хатуу хөтчүүд болон спинтроникууд

• Компьютерийн техник хангамж

Танилцуулга

Спинтроник гэж юу вэ?

Би энд хаа сайгүй ээрэх, эргүүлэх гэж хэлдэг, гэхдээ энэ юу вэ?

Спин (англи хэлнээс - эргэлт, ээрэх) нь электроны орон зай дахь хөдөлгөөнтэй холбоогүй дотоод өнцгийн импульс юм. Бага зэрэг хялбарчлах юм бол спинийг электрон тэнхлэгээ тойрон эргэдэг гэж ойлгож болно.

Математик, физикийг жаахан санацгаая.
Сонгодог физикийн хувьд бөөмийн механик өнцгийн импульс (эсвэл тэдний хэлснээр импульсийн момент) дараах байдалтай тэнцүү байна.

r– бөөмийн радиус вектор;
хнь бөөмийн импульсийн вектор юм.

At p = 0, сонгодог бөөмийн өнцгийн импульс M = 0. Электроны хувьд p = 0 үед M ≠ 0 байна.
Электроны эргэлт нь хоёр утгыг авч болно.


Цагаан будаа. 1. Электрон эргэдэг

Ерөнхийдөө эргэлтийг h-ийн нэгжээр (Планкийн тогтмол) хэмждэг бөгөөд эргэлтийг -тэй тэнцүү гэж хэлдэг. Электрон өөрийн соронзон момент нь спинтэй холбоотой байдаг.

Дээрх олон тооны математик тэмдгүүд нь бяцхан уншигчдыг тарчлаахад хангалттай гэж би бодож байна. Хэрэв тийм бол бид томъёо ашиглахаа болино.

Сонгодог цэнэгүүдээс ялгаатай нь зөвхөн гүйдлийн үед соронзон момент үүсгэдэг (жишээлбэл, соленоид гэх мэт) электрон нь тэг импульсийн үед соронзон моменттэй байдаг. Зөвхөн электронууд соронзон эргэлттэй төдийгүй бусад зарим энгийн бөөмсүүд, мөн зарим атомын цөмүүд байдаг.

Спинтроник нөлөө нь ферримагнит материалын шинж чанарыг ашигладаг. Эдгээр нь соронзон момент (жишээлбэл, Fe - төмөр, Ко - кобальт, Ni - никель) бүхий атомуудыг агуулсан материалууд бөгөөд тодорхой эгзэгтэй температураас (Кюри температур) доогуур температурт атомуудын соронзон моментууд захиалгаар явагддаг. бие биетэйгээ харьцангуй. Спин нь параллель байвал материалыг ферромагнет, эсрэг параллель бол антиферромагнет гэж нэрлэдэг.

1989 онд ферросоронзон болон соронзон бус давхаргуудаас бүрдсэн бүтцийг судалсан. Тэдний цахилгаан дамжуулах чанарыг судалсан. Зургийг харцгаая:

Зураг 2. Гурван давхар ферросоронзон бүтэц

Зургаас харахад хоёр бүтэц нь гурван давхаргаас бүрддэг: бүтцийн ирмэг дээр ферромагнит, дунд нь соронзон бус давхарга. Ийм бүтцийн бодит жишээ бол Fe-Cr-Fe (төмөр-хром-төмөр) эсвэл Co-Cu-Co (кобальт-зэс-кобальт) байж болно. Түүнээс гадна соронзон бус давхаргын өргөн нь ойролцоогоор 1 нм, эсвэл илүү нарийвчлалтай хэлбэл, давхаргын өргөн нь электроны дундаж чөлөөт замаас бага байх ёстой бөгөөд ингэснээр түүний хөдөлгөөний үед тархалт, эргэлтийн алдагдал байхгүй болно. Ийм бүтэц дэх цахилгаан дамжуулах чанар нь зөвхөн гаднах давхаргын соронзлол нь нэг чиглэлтэй байх тохиолдолд л үүсдэг бөгөөд үүнийг зөв зураг дээр харж болно. Үгүй бол бид "металл тусгаарлагч" авдаг.

Энэ нь HDD-д хэрхэн хамаатай вэ?

Зураг 3. HDD

Энэ нийтлэлийн хүрээнд зөвхөн бичлэг/унших толгойг л сонирхож байна. Би үүнийг шар будгаар тусгайлан "алтадсан" (Петка, Василий Иванович нартай хийсэн хөгжилтэй явдал шиг). Ерөнхийдөө энэ нь толгой дээрх нэг төхөөрөмж биш, харин хоёр: бичлэг хийх хэсэг, унших хэсэг юм. Унших хэсгийг нарийвчлан авч үзье:

Зураг 4. Унших толгой

Таны харж байгаагаар толгой нь төмөр, зэс, кобальт, AFM антиферромагнет гэсэн дөрвөн давхаргаас бүрддэг. AFM үгс буюу үүнийг бас нэрлэдэг солилцооны давхарга нь хоёр дахь давхаргын соронзон орныг засах зориулалттай. Хоёр дахь давхаргыг бэхэлгээний давхарга гэж нэрлэдэг бөгөөд манай тохиолдолд кобальтаар хийгдсэн байдаг. Үүний дотор соронзон орон үргэлж нэг чиглэлд чиглэгддэг. Гурав дахь давхарга нь дамжуулагч бөгөөд ихэвчлэн зэсээр хийгдсэн бөгөөд ферромагнитын давхаргыг салгахад үйлчилдэг. Сүүлийн давхарга болох мэдрэмтгий давхарга нь мөн ферросоронзон материалаар хийгдсэн байдаг. Засварлахаас ялгаатай нь түүний соронзон орны чиглэл нь гаднах талбар - эсийн талбараас хамаарна. Хатуу дискний эс нь нэг бит мэдээлэл агуулдаг. Нүдний талбайн чиглэлээс хамааран мэдрэмтгий давхарга дахь талбарын чиглэл өөрчлөгддөг. Хэрэв мэдрэмтгий болон бичлэгийн давхарга дахь талбайн чиглэлүүд давхцаж байвал дээр дурдсан зарчмуудын дагуу эс нь цахилгаан дамжуулах чанарыг нэмэгдүүлдэг, өөрөөр хэлбэл. гүйдэл дамжуулж эхэлдэг. Хэрэв талбайн чиглэлүүд эсрэгээрээ байвал бид "металл тусгаарлагч" авна. Дамжуулагчийн өөрчлөлтийн энэхүү нөлөөг (эсвэл эсэргүүцэл, учир нь эдгээр нь зүгээр л харилцан хэмжигдэхүүнүүд) GMR - Giant Magnetoresistive - аварга соронзон эсэргүүцлийн нөлөө гэж нэрлэдэг. GMR эффектийг анх 80-аад оны сүүлээр IBM-ийн лабораторид судалж эхэлсэн боловч үүнийг үйлдвэрлэлд нэвтрүүлэхэд бараг 10 жил зарцуулсан.

Ийм нарийн төвөгтэй технологиуд биднийг хаа сайгүй хүрээлж байгаа нь толгой эргэмээр. Үргэлжлүүлэх.

Одоо ферромагнетыг хагас дамжуулагчтай харьцах үед юу болохыг авч үзье (Зураг 1.17). Хагас дамжуулагч дахь цэнэгийн тээвэрлэгчдийн концентраци нь ферросоронзон металлаас хамаагүй бага байдаг тул үүнээс илүү олон электронууд хагас дамжуулагч руу тархдаг. Динамик тэнцвэрт байдал нь зөвхөн холбоо барихад чухал боломжит саад болох "Шоттки саад" үүссэн үед л тогтдог (Зураг 1.17,а). Үүнээс үүдэн контакттай зэргэлдээх хагас дамжуулагчийн бүсэд туузануудын (валент, зурвасын завсар, дамжуулалтын зурвас) мэдэгдэхүйц гулзайлтын шинж тэмдэг илэрдэг.

Цагаан будаа. 1.17.

Контакт бага хэмжээний хүчдэл өгөх үед У(“+” хагас дамжуулагч руу), бага зэрэг өөрчлөлтүүд. Хүчдэл нь хаалтын өндөртэй ойролцоо утгад хүрэх хүртэл цахилгаан гүйдэл нь Шотткийн хаалтаар урсдаггүй. Дараа нь электронууд нарийн саадаар дамжин өнгөрөх боломжтой болно (Зураг 1.17б).

Ферромагнетээс туйлширсан электронууд нь дулааны энергиээс хамаагүй өндөр энергитэй хагас дамжуулагч руу ордог. Ийм "халуун" электронууд маш эрчимтэй тархаж, эргэлтийнхээ чиглэлийг хурдан алддаг. Тиймээс тарилга ферросоронзон металлаас хагас дамжуулагч руу эргэх туйлширсан цахилгаан гүйдэл нь маш үр ашиггүй болж хувирав..

Энэ талаар "төмөр соронзон металл - хонгилын уулзвар - хагас дамжуулагч" бүтэц нь илүү үр дүнтэй болсон (Зураг 1.17c). Металлаас диэлектрикээр тусгаарлагдсан хагас дамжуулагч дахь туузан гулзайлтын гулзайлт нь ач холбогдолгүй юм. Хэрэв диэлектрикийн зузаан нь маш бага (~1 нм) бол туннель нь бага хүчдэлд ч эхэлдэг. Тарьсан ээрэх чиглэлтэй электронууд нь хагас дамжуулагч руу ордог бөгөөд Шотткигийн саадтай адил "халуун" биш юм. Тиймээс тэдний эргэх тайвшрах хугацаа илүү урт байдаг. Ийм учраас жишээлбэл, хагас дамжуулагч суурьтай спин транзистор (Зураг 1.6) хагас дамжуулагч ба ферромагнетийн хооронд хэт нарийн туннелийн уулзваруудыг (1.6-р зурагт цахиурын нитридээр хийсэн) ашигладаг.

Хэт нимгэн хонгилын уулзварыг ашиглан 2007 онд ээрэх транзисторын жишээг ашиглан бүтцийг нь Зураг дээр үзүүлэв. 1.18, энэ нь тогтоогдсон Өндөр цэвэршилттэй цахиурт тарьсан эргэлтийн туйлширсан электронууд нь эргэлдэж тайвшрах хугацаа нь нэлээд урт бөгөөд 350 мкм хүртэл чухал (нано, тэр ч байтугай бичил ертөнцийн масштабаар) зайд тархдаг.

Өндөр цэвэршилттэй цахиурын хавтан дээр ( Си(pl.)) 350 микрон зузаантай, дээр нь металлжуулах давхаргыг түрхсэн ( Al/Cu) 10 нм зузаантай, хэт нимгэн хонгилын давхарга Ал 2 О 3, ферросоронзон давхарга (CoFe) 10 нм зузаантай, хөнгөн цагаан металлжуулалт (Аль). Энэ бүтэц нь спин-туйлшсан электрон ялгаруулагчийн үүрэг гүйцэтгэсэн. Доороос цахиур хавтан руу ( Си(pl.)) ферромагнетийн давхаргууд хуримтлагдсан (NiFe)болон зэс (Cu)хоёулаа 4 нм зузаантай. Сүүлд нь цахиурын давхарга ургуулсан n-төрөл (n-Si)ба индиумаас омик холбоо барих (д).

Эмиттерт хүчдэл өгөх үед УӨө, ферромагнетээс (CoFe)хэт нимгэн хонгилын саадаар цахиур руу ордог ( Ал 2 О 3 ба металлжуулалтын нимгэн давхарга (Al/Cu)ферромагнетийн соронзлолын чиглэлд чиглэсэн спин бүхий дамжуулагч электронуудыг тарьсан. Хүчдэл доогуур У K1 нь ферромагнетийн коллекторын давхаргад хэрэглэнэ (NiFe), эдгээр электронууд цахиурын ялтасаар дамждаг. Тэдний эргэлтийн сулрах хугацаа, тархалтын урт нь тэдний мэдэгдэхүйц хэсэг нь коллектор руу шилжихэд хангалттай байсан. Эргэлтийн чиглэлийг "чөлөөт" ферромагнетийн соронзлолын чиглэлийг өөрчлөх замаар тодорхойлж болно. Энэ тохиолдолд коллекторын гүйдэл огцом буурсан. Цахиурын давхарга n-төрөл (n-Si)нэмэлт өсгөлт болон дохиог илүү нарийвчлалтай хэмжихэд ашигладаг.

Төмөр соронзон хагас дамжуулагч

Хонгилын уулзвар нь хагас дамжуулагч руу ээрэх туйлширсан гүйдлийг шахах нөхцлийг сайжруулахын зэрэгцээ цахилгаан эсэргүүцлийг нэмэгдүүлж, ажиллах хүчдэлийг нэмэгдүүлэх шаардлагатай хэвээр байна. Тиймээс эрдэмтэд эргэлтийн туйлширсан гүйдлийн эх үүсвэр болох металл бус хагас дамжуулагч ферромагнетыг ашиглах боломжтой хувилбарт онцгой анхаарал хандуулсан. ферросоронзон хагас дамжуулагч(FP). 20-р зууны 70-аад оны үед. европийн халькогенид, шпинель зэрэг PTs CdCr 2 Сэ 4 [Нагаев Е.Л. Соронзон хагас дамжуулагчийн физик. - М .: Шинжлэх ухаан. – 1979. – 431 х.]. Гэсэн хэдий ч тэд зөвхөн бага температурт ферросоронзон шинж чанарыг илрүүлсэн.

Хорьдугаар зууны сүүлийн хорин жилд. гэж нэрлэгдэхээр эрчимтэй судалж байсан "шингэрүүлсэн соронзон хагас дамжуулагч"(RMP, англи хэлээр шингэрүүлсэн соронзон хагас дамжуулагч, DMS). Эдгээр нь сонгодог хагас дамжуулагч юм А 2 Б 6 ба А 3 Б 5, хамгийн их уусах чадвартай, шилжилтийн атомууд ("соронзон") металлууд, ихэвчлэн манган ( Mn- хамгийн их уусах чадвартай тул). Хэсэгчилсэн дүүрсэн электронуудын солилцооны харилцан үйлчлэл d-Тэгээд f-үндсэн хагас дамжуулагчийн зурвасын цэнэгийн тээвэрлэгч бүхий соронзон ионуудын бүрхүүлүүд нь сүүлчийн шинж чанарыг эрс өөрчилдөг бөгөөд зөвхөн ферромагнетизм төдийгүй практик хэрэглээнд ирээдүйтэй байж болох олон шинэ үзэгдлүүдийг бий болгоход хүргэдэг. Гэсэн хэдий ч эдгээр RMP-ийн ихэнх нь Кюригийн температур өрөөний температураас доогуур байсан (жишээлбэл, Га 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 К - үйлдвэрлэлийн технологиос хамааран; цагт Га 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 80 К). Зөвхөн өргөн зайтай хагас дамжуулагчийн хувьд Кюригийн температур нь өрөөний температураас өндөр байсан Га 1-х Mn x Н, жишээ нь TK = 400 K). У ГаН, гадолиний хольцтой (атомын соронзон момент нь 8 Бор магнетонтой тэнцүү) нимгэн хальс нь бараг сая галли, азотын ионуудад нэг гадолиний атом байх үед ч ферросоронзон болдог. Хожим нь нэмэлт хайлшийн элементүүдийг ашиглах нь тодорхой болсон. Zn, C d гэх мэт), нарийн зайтай хагас дамжуулагчийн Кюри температурыг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх боломжтой (жишээлбэл, дээр үндэслэн). InSb-Mn: Zn, Cd TK = 320-400 К) бүхий тасралтгүй цуврал RMP авах боломжтой.

Сүүлийн арван жилд илүү өргөн хүрээний соронзон хагас дамжуулагчийг нэгтгэж, судалж байна. Өрөөний температураас дээш температурт ферросоронзон шинж чанар нь манган эсвэл бусад "соронзон" атомуудаар баяжуулсан цахиур, германий зэрэг сонгодог хагас дамжуулагчд ч илэрсэн.

Ферросоронзон хагас дамжуулагчийг ижил дамжуулалтын төрлийн ердийн хагас дамжуулагчтай холбоход мэдэгдэхүйц саад бэрхшээл байхгүй.(Зураг 1.19, a, b). Хэрэв PT ба ердийн хагас дамжуулагч нь өөр өөр төрлийн дамжуулах чадвартай бол r-p- шилжилт, цахилгаан гүйдэл дамжин өнгөрөх нь зөвхөн нэг чиглэлд (Зураг 1.19, в, г). Зураг дээр. 1.19-д валентын зурвас (E B1 ба E B2) ба дамжуулалтын зурвасаас (E P1 ба E P2) гадна зурвасуудыг мөн уламжлалт байдлаар харуулав. d-Тэгээд f-электронууд (E fd), тэдгээр нь ихэвчлэн ферросоронзон хагас дамжуулагчдад байдаг. Ферми түвшинтэй (E Ф) харьцангуй байрлалаас хамааран тэдгээрийг хэсэгчлэн эсвэл бүрэн дүүргэж болно. Хэдийгээр тэдгээрийг хэсэгчлэн дүүргэсэн ч гэсэн ийм бүсээр дамжин өнгөрөх цахилгаан дамжуулах чадвар хязгаарлагдмал байдаг, учир нь f ба d-электронууд бага хөдөлгөөнтэй байдаг (их хэмжээний үр дүнтэй масс).

Спин-туйлшруулсан гүйдлийг ферросоронзон хагас дамжуулагчаас хагас дамжуулагч руу шахах нь ферросоронзон металлаас хамаагүй илүү үр дүнтэй болсон бөгөөд түүний эргэлтийн туйлшралын зэрэг нь хамаагүй өндөр буюу 100% хүртэл байж болно..

Сүүлийн 10 жилд ферросоронзон хагас дамжуулагч нанокомпозит материалыг мөн идэвхтэй нэгтгэж, судалж байгаа бөгөөд үүнд жижиг хэмжээтэй соронзон бүтэц - нано бөөмс, ферросоронзон нано утас, квант хавтгай болох хэт нимгэн ферро соронзон хальс зэрэг орно. Ийм нанокомпозит хагас дамжуулагчийн Кюри температур нь харгалзах "цэвэр" хагас дамжуулагчийн Кюри температураас ихээхэн ялгаатай байж болох бөгөөд гаднах соронзон орны тусламжтайгаар системийн шинж чанарыг эрс өөрчлөх боломжтой болно

Спинтроник LED

Эдгээр ололт амжилтыг ашиглан жишээ нь прототипийг бүтээх боломжтой болсон спинтроник LEDба батерейг эргүүлнэ.

Спинтроник LED-шилжилтийн үндсэн дээр тэдгээрийн цацраг нь дугуй туйлшралтай байдгаараа ялгаатай. Энэ нь ердийн LED-ээс ялгаатай нь эргэх туйлширсан дамжуулагч электронууд эсвэл эргэлтийн туйлширсан "нүх" нь рекомбинац үүсэх гетерогцолтын бүсэд тарьдагтай холбоотой юм. IN AlGaAs(В GaAsба энэ бүлгийн бусад хагас дамжуулагчид) зөвхөн спиртэй цоорхойтой +1/2 ээрэх электронуудыг дахин нэгтгэх үед оптик шилжилтийг зөвшөөрнө, эсвэл эсрэгээр - ээрэх цоорхойтой -1/2 нь зөвхөн эргэлттэй + + 1/2. Тиймээс, энэ тохиолдолд ялгардаг фотонуудын эргэлт ±1, өөрөөр хэлбэл. баруун эсвэл зүүн туйлширсан байна. Энэ бол цэвэр квант эффект юм. Ийм дугуй туйлширсан гэрлийн долгион дахь цахилгаан векторын эргэлтийн динамикийг Зураг дээр үзүүлэв. 1.20.

Тойрог хэлбэрийн туйлширсан гэрлийг шингээх үед ижил сонголтын дүрмийг баримтална. Үүний үр дүнд тойрог хэлбэрээр туйлширсан фотоныг шингээдэг атомууд анхны төлөвөөс ±1-ээр ялгаатай соронзон квант тоотой төлөвт ордог. Бидний энд ярихгүй байгаа хэд хэдэн шинэ технологид дугуй туйлширсан гэрлийн энэ шинж чанарыг атомын нэгдлүүдийн "оптик соронзлол" эсвэл тэдгээрийн "оптик шахах" зорилгоор ашигладаг - атомын өдөөгдсөн төлөв байдлын урвуу популяцийг бий болгодог. Галийн арсений субстрат дээр х + (х + -GaAs) дараалсан давхаргууд ГаАс: Бай(20 нм), ферросоронзон хагас дамжуулагч нано хэсгүүд MnAsойролцоогоор 3 нм диаметртэй, 10 нм зузаантай галлийн арсенидын матрицад тархсан, хөнгөн цагаан арсений хонгилын саад ( AlAs), галлийн арсенидын нимгэн хальс ( GaAs, 1 нм) ба ферросоронзон давхарга MnAs 20 нм зузаантай. Алтан контактууд нь субстрат болон давхарга дээр үүсдэг MnAs.

Хэрэв нано бөөмс MnAsгадны соронзон орон ашиглан соронзон хатуу давхаргын соронзлолын чиглэлийн эсрэг чиглэлд дахин соронзуулна. MnAs(тогтмол соронзлолтой ферромагнет), дараа нь хонгилын уулзвараар ээрэх туйлширсан электронуудыг шахаж эхэлснээр гадаад терминал дээр цахилгаан хүчдэл үүсдэг. Хэрэв та гаднах цахилгаан хэлхээг хаавал ферромагнит нано бөөмс рүү орно MnAsэлектронууд "урсдаг" бөгөөд тэдгээрийн эргэлт нь "тогтмол" ферромагнетийн соронзлолын чиглэлд чиглэгддэг. Эдгээр электронууд хуримтлагдаж, ферросоронзон нано хэсгүүдийн чиглэлийг аажмаар өөрчлөхөд хүргэдэг. Хэрэв гадаад хэлхээг онгойлговол гүйдэл зогсох ба түүнтэй хамт ферросоронзон нано бөөмсийн соронзлолын урвуу зогсолтыг зогсооно.

Холбоо барихгүйгээр цэнэглэх боломжтой. Ийм батерейнууд нь спинтрон хэлхээний эрчим хүчний хангамжийн үр дүнтэй эх үүсвэр болж, хүн эсвэл амьтны биед суулгасан бичил төхөөрөмжүүдэд зориулагдсан болно.

IBM Research болон Европын тэргүүлэгч боловсрол, судалгааны төвийн ETH Zurich-ийн эрдэмтэд түүхэндээ анх удаа хагас дамжуулагч дотор тогтвортой эргэлтийн спираль үүссэн зургийг олж авчээ.

­
­
­
­

"Ихэвчлэн ийм электрон эргэлтүүд хурдан өөрчлөгдөж, чиглэлээ алддаг. Гэхдээ бид анх удаа эргэлтийг өөрчлөх тогтмол мөчлөгт тэдний шинж чанарыг тэнцүүлэх арга замыг олж чадсан."
­
­
­
­
­
­

Спинтроникийн талаар бага зэрэг

Спинтроникийн эрхэм зорилго юу вэ?
Ойрын 10-15 жилийн хугацаанд цахиурын процессорууд хязгаартаа хүрнэ. Тиймээс эрдэмтэд эрчим хүч бага зарцуулдаг, дулаан ялгаруулах чадвар багатай өндөр хурдны төхөөрөмжүүдийг бүтээх шинэ физик зарчмуудыг аль хэдийн хайж байна.
Спинтроник төхөөрөмжүүдийн эргэлтийг эргүүлэх нь бараг ямар ч эрчим хүчний зардал шаарддаггүй бөгөөд үйл ажиллагааны хооронд төхөөрөмжийг тэжээлийн эх үүсвэрээс салгадаг. Хэрэв та эргэлтийн чиглэлийг өөрчилвөл электроны кинетик энерги өөрчлөгдөхгүй. Энэ нь дулааныг бараг үүсгэдэггүй гэсэн үг юм.
Мэргэжилтнүүд спинтроникийн хөгжлийн гурван үндсэн чиглэлийг тодорхойлжээ: квант компьютер, спиралын талбарт транзистор, спин санах ой.
IBM-ийн эрдэмтдийн үзэж байгаагаар электронууд эргэлтийг маш хурдан өөрчилдөг - шилжихэд ойролцоогоор 100 пикосекунд шаардлагатай байдаг (1 пикосекунд нь секундын нэг их наядны нэг юм). Гол нь энэ гол асуудал – 100 пикосекунд нь системийн төлөвийн өөрчлөлтийг бичил схемд бүртгэхэд хангалтгүй.

Юу ч хамаагүй

IBM-ийн судлаачид электроныг синхрончлох аргыг боловсруулж, эргэлтийн хугацааг 30 дахин - 1 наносекунд хүртэл (1 Гигагерц давтамжтай микропроцессорын циклтэй тэнцүү) нэмэгдүүлсэн.
­

­
­
­
­
­

Эрдэмтдийн анхаарлыг физикчдийн урьд өмнө тайлбарлаагүй баримт татав - электронууд хагас дамжуулагчаар эргэлдэж байх үед тэдгээрийн спин нь вальсийн хос шиг синхроноор эргэлдэж, хэдэн арван микрометрээр хөдөлдөг.
­
­
­

"Хэрвээ вальсын тойргийн эхэнд бүх эмэгтэйчүүдийн нүүрийг нэг зүгт эргүүлсэн бол хэсэг хугацааны дараа эргэлдэж буй хосууд өөр өөр зүг рүү харах болно.
Одоо бид бүжигчдийн эргэлтийн хурдыг тэмдэглэж, хөдөлгөөнийх нь чиглэлд уях боломжтой болсон. Үр дүн нь хамгийн тохиромжтой бүжиг дэглэлт юм - сайтын тодорхой хэсэгт бүжиглэж буй бүх эмэгтэйчүүдийн царай нэг чиглэлд чиглэв."

IBM судалгааны лабораторид эрдэмтэд хэт богино лазерын импульс ашиглан хэт жижиг бүсэд нэгэн зэрэг эргэлдэж буй олон мянган электрон эргэлтийн хөдөлгөөнийг ажигласан.
IBM-ийн судлаачид электрон эргэлтийн синхрон "валс"-ын зургийг авахын тулд цаг хугацааны шийдэл бүхий сканнерийн микроскопын техникийг ашигласан. Электрон эргэлтийн эргэлтийг синхрончлох нь тэдний хөдөлгөөнийг 10 микрон (миллиметрийн зууны нэг) зайд ажиглах боломжийг олгосон бөгөөд энэ нь эрчим хүчний хэрэглээний хувьд хурдан бөгөөд хэмнэлттэй логик үйлдлүүдийг боловсруулахад спин ашиглах боломжийг нэмэгдүүлсэн.
­

Спингийн синхрон хөдөлгөөний шалтгаан нь спин-орбитын харилцан үйлчлэл гэж нэрлэгддэг бөгөөд спинийг электроны хөдөлгөөнтэй холбодог физик механизм юм. Туршилтын хагас дамжуулагч дээжийг ETH Zurich-ийн эрдэмтэд галлийн арсенид (GaAs) дээр үндэслэн хийсэн. III/V бүлгийн хагас дамжуулагч Галлийн арсенид нь нэгдсэн хэлхээ, хэт улаан туяаны LED, өндөр үр ашигтай нарны зай зэрэг төхөөрөмжүүдийн үйлдвэрлэлд өргөн хэрэглэгддэг.

Спин электроникийг лабораториос зах зээлд гаргах нь маш хэцүү ажил хэвээр байна. Өнөөдрийн судалгааг маш бага температурт явуулж байгаа бөгөөд энэ үед электрон эргэлт нь хүрээлэн буй орчинтой хамгийн бага харилцан үйлчилдэг. Тодруулбал, энд тайлбарласан судалгааны ажлыг IBM-ийн эрдэмтэд Кельвиний 40 градусын (-233 Цельсийн буюу -387 Фаренгейт) температурт хийсэн.
Гэхдээ ямар ч байсан шинэ нээлт нь хагас дамжуулагч төхөөрөмж дэх соронзон "цэнэг" -ийн хөдөлгөөнийг хянах боломжийг олгож, жижиг хэмжээтэй, эрчим хүч хэмнэдэг электроникийг бий болгох шинэ боломж, хэтийн төлөвийг нээж байна.

Шошго: шошго нэмэх