Vedci z IBM Research a popredného európskeho vzdelávacieho a výskumného centra ETH Zurich získali po prvý raz v histórii snímky vzniku stabilnej špirály spinu v polovodiči.
„Takéto elektrónové spiny sa zvyčajne rýchlo menia a strácajú svoju orientáciu. Ale po prvýkrát sa nám podarilo nájsť spôsob, ako vyrovnať ich vlastnosti v pravidelnom cykle striedania spinov.“
Trochu o spintronike
Spintronika (alebo spinová elektronika) je pomerne mladá oblasť modernej fyziky, ktorá priťahuje mnoho výskumníkov so sľubnými praktickými aplikáciami.Jeho rozdiel od tradičnej elektroniky je v tom, že ak sa náboje pohybujú konvenčným elektrickým prúdom, potom sa v elektronike novej generácie pohybujú rotácie elektrónov.
Spin elektrónu (vnútorný moment hybnosti) je vnútorná charakteristika elektrónu, ktorá má kvantovú povahu a nezávisí od pohybu elektrónu. Spin elektrónu môže byť v jednom z dvoch stavov – buď „spin-up“ (smer spinu sa zhoduje so smerom magnetizácie magnetický materiál), alebo „spin-down“ (rotácia a magnetizácia sú v rôznych smeroch).
"Otáčanie" elektrónu a jeho horná a spodná orientácia kóduje logické bity v systéme. Pri kódovaní bitov vedci navrhujú zamerať sa na fyzický priestor, v ktorom sa elektrón nachádza. Elektrón, ktorého os je konvenčne nasmerovaná nahor, sa považuje za logickú jednotku a elektrón, ktorého os je konvenčne nasmerovaná nadol, sa považuje za logickú nulu.
Aké je poslanie spintroniky?
V nasledujúcich desiatich až pätnástich rokoch dosiahnu kremíkové procesory svoje limity. Vedci preto už hľadajú nové fyzikálnych princípov, na ktorých budú postavené vysokorýchlostné zariadenia s nízkou spotrebou energie a odvodom tepla.
V spintronických zariadeniach nevyžaduje reverzácia otáčania prakticky žiadne výdavky na energiu a medzi operáciami je zariadenie odpojené od zdroja energie. Ak zmeníte smer rotácie, kinetická energia elektrónu sa nezmení. To znamená, že sa nevytvára takmer žiadne teplo.
Odborníci identifikujú tri hlavné smery vo vývoji spintroniky: kvantový počítač, tranzistor s efektom spinového poľa a spinová pamäť.
Podľa vedcov z IBM menia elektróny spiny veľmi rýchlo – prepnutie trvá asi 100 pikosekúnd (1 pikosekunda je bilióntina sekundy). A o to ide hlavný problém
– 100 pikosekúnd nestačí na to, aby mikroobvody zaregistrovali zmenu stavu v systéme.
Napriek všetkému
Výskumníci z IBM vyvinuli metódu na synchronizáciu elektrónov, čím sa doba otáčania predĺži 30-krát – až na 1 nanosekundu (rovná sa cyklu mikroprocesora s frekvenciou 1 Gigahertz).
Pozornosť vedcov upútala skutočnosť, ktorú fyzici predtým nepopísali - keď sa elektróny otáčajú v polovodičoch, ich rotácie sa pohybujú o desiatky mikrometrov, pričom sa otáčajú synchrónne, ako páry pri tanci.
„Ak sú na začiatku kruhu vo valčíku tváre všetkých žien otočené jedným smerom, potom po nejakom čase rotujúce páry zistia, že sa pozerajú rôznymi smermi.
Teraz máme možnosť zaznamenávať rýchlosť rotácie tanečníkov a viazať ju na smer ich pohybu. Výsledkom je ideálna choreografia – tváre všetkých tancujúcich žien v určitej oblasti miesta sú nasmerované jedným smerom.“
V laboratóriách IBM Research vedci použili ultrakrátke laserové impulzy na pozorovanie pohybov tisícok elektrónových spinov, ktoré boli spustené do rotácie súčasne v rámci ultra malej oblasti.
Výskumníci IBM použili techniky skenovacieho mikroskopu s časovým rozlíšením na zachytenie obrázkov synchrónneho „valčíka“ rotácií elektrónov. Synchronizácia rotácie spinov elektrónov umožnila pozorovať ich pohyb na vzdialenosti viac ako 10 mikrónov (jedna stotina milimetra), čím sa zvýšila možnosť využitia spinu na spracovanie. logické operácie– rýchle a ekonomické z hľadiska spotreby energie.
Dôvodom synchrónneho pohybu spinov je takzvaná interakcia spin-orbita, fyzikálny mechanizmus, ktorý spája spin s pohybom elektrónu. Experimentálnu vzorku polovodiča vyrobili na báze arzenidu gália (GaAs) vedci z ETH Zurich. Arzenid gália, polovodič skupiny III/V, sa široko používa pri výrobe zariadení, ako sú integrované obvody, infračervené LED diódy a vysokoúčinné solárne články. 
Dostať rotačnú elektroniku z laboratórií na trh je stále mimoriadne náročné. náročná úloha. Dnešný výskum sa vykonáva s veľmi nízke teploty, pri ktorej rotácie elektrónu minimálne interagujú s prostredím. Najmä ten, ktorý je tu opísaný výskumu vedci z IBM vykonali pri teplote 40 stupňov Kelvina (-233 Celzia alebo -387 Fahrenheita).
V každom prípade však nový objav dáva kontrolu nad pohybom magnetických „nábojov“ v polovodičových zariadeniach a otvára nové príležitosti a vyhliadky na vytvorenie malej a energeticky úspornej elektroniky. 
Štítky: Pridajte štítky
Len v priebehu mesiaca február 2013 priniesli informačné technológie množstvo veľmi pozoruhodných správ o úspechoch v oblasti spintroniky. Teda o novej, zásadne inej odrode elektronické zariadenia, ktoré sa pri svojej práci nespoliehajú na elektrický náboj nosných častíc, ale na ich spin - vlastný časticiam kvantová vlastnosť, ktorej vývoj sľubuje skutočnú revolúciu vo výpočtovej technike.
Takto to vyzerá len ako niektoré z najnovších správ od spintroniky.
Dve nemecké univerzity Mainz a Kaiserlautern, ktoré úspešne ukončili výskum vytvorenia spintronického pamäťového čipu založeného na takzvaných Heuslerových zlúčeninách, získali od štátu značný grant vo výške 3,8 milióna eur - na rýchle privedenie vyvinutých technológií do štádia masovej priemyselnej výroby.
Vedcom na Britskej univerzite v Cambridge sa pri ich vývoji podarilo spojiť dve najpokročilejšie oblasti výskumu v oblasti elektroniky – 3D čipy a spintroniku. Vďaka tomu boli schopní vytvoriť a demonštrovať prototyp „prvého spintronického 3D procesora na svete“ (tu sú úvodzovky potrebné, pretože v skutočnosti to nie je ani zďaleka plnohodnotný procesor, ale kreatívny úspech výskumníkov nemožno dosiahnuť pochyboval).
Špecialistom z univerzity v Göttingene – opäť v Nemecku – sa podarilo vymyslieť a syntetizovať molekulu umelej organickej hmoty, ktorá môže hrať úlohu stabilnej spintronickej pamäťovej bunky. Na tejto úrovni miniaturizácie je spintronic pamäťové zariadenie založené na lacnom organické materiály umožní uložiť približne petabajt dát (tisíc terabajtov alebo milión gigabajtov) na čip s veľkosťou približne palca.
Ak k tomu istému balíku noviniek pripočítame niekoľko ďalších veľmi nedávnych a veľmi pôsobivých – o úspechoch iných výskumných centier v USA, Japonsku a iných krajinách, ktoré už spintronické technológie priviedli veľmi blízko k fáze priemyselná produkcia, potom je zrejmé: skutočne prichádzajú veľké zmeny.
Aby sme jasnejšie pochopili, aký druh informačnej technológie nahrádza konvenčnú polovodičovú elektroniku, má zmysel bližšie sa pozrieť na vlastnosti spintroniky. Prečo je táto technológia taká atraktívna, aké sú najťažšie problémy pri jej vývoji a ako sa nám nakoniec darí tieto problémy obchádzať a prekonávať...
⇡ Prírodná alternatíva
Medzi odborníkmi je často počuť názor, že zjavné oneskorenia príchodu dlho očakávanej spintroniky do našich životov sú spôsobené predovšetkým mimoriadne stabilným a úspešným pokrokom v oblasti tradičných polovodičových technológií. To znamená, že čas na novú technológiu neprišiel len preto, že tá stará je stále k dispozícii.
Moorov empirický zákon, ako viete, stanovuje pravidlo, ktoré sa nedá nijako dokázať, ale funguje pravidelne už viac ako pol storočia. Počet prvkov typického mikroobvodu - inými slovami výkon čipov - sa vďaka úsiliu vedcov a inžinierov pravidelne zdvojnásobuje približne každý rok a pol.
Prečo sa to deje, nie je známe. Ale každý chápe, že to nemôže pokračovať donekonečna. Súčasný dizajn čipu sa totiž rýchlo posúva smerom k svojim fyzickým limitom. Alebo inak, všetko známe problémy technológie - s litografiou, materiálmi, chladením - sa rýchlo blížia k stavu, keď ich prekonanie nie je absolútne nemožné, ale ukazuje sa príliš drahé a neefektívne.
Na jednej strane sa skrátka jednoznačne vyžaduje niečo iné. Na druhej strane sa už dlho presne chápe, ako bude táto ďalšia vec takmer určite vyzerať.
Prítomnosť špeciálnej vlastnosti nazývanej spin v časticiach hmoty - zvyčajne ilustrovaná analógiou s osou rotácie hornej časti alebo dvoch pólov magnetickej ihly - bola stanovená v počiatkoch kvantovej mechaniky. A keďže kvantový spin elektrónu naberá iba dve možné hodnoty, bežne nazývané „spin-up“ a „spin-down“, veľmi sľubný potenciál informačnej technológie bol zaznamenaný v tomto návrhu už veľmi dávno. V skutočnosti v prírode existuje hotový nosič binárnej informácie, ktorý kóduje buď 1 alebo 0 v smere rotácie.
A najpozoruhodnejšie je, že hovoríme o tom istom elektróne, ktorý pôvodne figuroval v základoch a jadre mikroelektronickej revolúcie. Takmer všetky polovodičové mikroobvody sú postavené na tranzistoroch, ktorých hlavnú úlohu pri prevádzke zohráva pohyb elektrónov. Presnejšie povedané, pohyb elektrických nábojov, ktoré sú vlastné elektrónom. Kým elektrónový spin – objavený takmer pred 90 rokmi – je v polovodičovom priemysle ignorovaný, v skutočnosti úplne...
Keďže však všetci súhlasia s tým, že Moorov zákon by mal fungovať aj naďalej, potom technológia pod všeobecným názvom spintronika teraz pôsobí ako najprirodzenejšia a zároveň progresívnejšia alternatíva ku konvenčnej mikroelektronike. Tento názov sa najčastejšie dešifruje ako SPIN TRansport elektrONICS, teda „elektronika založená na spinovom prenose“.
Množstvo výhod a výhod nových technológií sa každým dňom zvyšuje. Medzi najdôležitejšie patrí rýchlosť a efektivita. Koniec koncov, rotácia elektrónu sa môže prepnúť z jedného stavu do druhého za oveľa kratší čas, než je potrebný na pohyb náboja pozdĺž obvodu, a to sa deje s oveľa menšou energiou. Navyše, počas spinových prenosov sa kinetická energia nosiča nemení, čo znamená, že sa neuvoľňuje takmer žiadne teplo.
Všetky tieto vlastnosti technológie spolu umožňujú vytvárať na základe spinových a spinových prúdov (tokov spinov elektrónov rovnakej polarity) výrazne nové tranzistory, logické a pamäťové bunky, ktoré nahradia konvenčné tranzistory v integrovaných obvodoch. A to nám zase umožní pokračovať v trende miniaturizácie elektroniky.
Spolu s vývojom tejto technológie sa ukazuje, že spintronika otvára cestu aj k vytváraniu úplne nových typov zariadení. Ako sú svetelné diódy (LED), ktoré produkujú ľavotočivé alebo pravotočivé kruhovo polarizované svetlo, čo je veľmi užitočné pre aplikácie v oblasti ochrany, kódovania a zahusťovania optoelektronickej komunikácie. Ak sa pozriete trochu ďalej do budúcnosti, ukáže sa, že už začal vznik takýchto spintronických zariadení, ktoré možno použiť ako qubity, teda základné konštrukčné prvky v kvantových počítačoch.
Aby však mohla nastať spintronická revolúcia v polovodičovom priemysle, je potrebné nájsť optimálne komponenty technológie, ktorú výskumníci hľadali posledné desaťročie. Zvyčajne existujú tri hlavné úlohy:
- metódy na vstrekovanie (t. j. „striekanie“) spinových stavov do okruhu;
- manipulácia s rotáciou vo vnútri okruhu;
- detekcia spinových stavov elektrónov po spracovaní.
Je veľmi žiaduce vyriešiť všetky tieto problémy v polovodičovom prostredí, keďže tieto materiály s najväčšou pravdepodobnosťou zostanú v dohľadnej budúcnosti hlavným fyzikálnym základom elektroniky.
Manipulácia so spinom elektrónov sa považuje za pomerne jednoduchú a nenáročnú záležitosť (keďže spin, podobne ako strelka kompasu, reaguje veľmi citlivo na spínanie magnetické pole). Vytvorenie spoľahlivých vstrekovačov a detektorov pre krehké točenia v praktických aplikáciách pre hromadnú výrobu je však stále celým súborom gigantických problémov.
⇡ Miesto testu a plocha vzletu
Takže to všeobecné postavenie Keďže veci v spintronike sú jasnejšie, treba zdôrazniť, že manipulácia so spinom elektrónov je dnes veľkým a rozvinutým biznisom. Ale len mimo polovodičového priemyslu. V skutočnosti sú teraz spintronické zariadenia na kovovej báze všadeprítomné – na pevných diskoch takmer každého počítača na planéte.
Koncom roku 1988 sa zistilo, že tok spinovo polarizovaných elektrónov vo vrstvenej povlakovej štruktúre (dve tenké vrstvy feromagnetika oddelené vrstvou nemagnetického kovu) možno výrazne zmeniť prepnutím na opačnú polaritu vonkajšie magnetické pole. Tento efekt nazývaný GMR alebo obrovská magnetorezistencia umožnil vytvoriť oveľa citlivejšie magnetické hlavy a podľa toho zmenšiť veľkosť magnetických domén kódujúcich binárne údaje na platniach. Inými slovami, informačná kapacita pevných magnetických diskových jednotiek sa výrazne zvýšila.
Manipulácia so spinom – prenos spinov elektrónov medzi dvoma kovmi – je tiež srdcom MRAM, magnetorezistívnej pamäte s náhodným prístupom. Teda nový typ počítačových úložných zariadení, ktoré uchovávajú informácie bez napájania.
Fyzika fungovania MRAM je založená na efekte, ktorý trochu pripomína GMR a je známy ako tunelová magnetorezistencia (TMR). Tu sú dve vrstvy feromagnetického kovu oddelené tenkou vrstvou izolačného materiálu, ako je oxid hlinitý alebo oxid horečnatý.
Ak v GMR dochádza k pomalému pohybu spinovo polarizovaných elektrónov z jednej feromagnetickej vrstvy do druhej v dôsledku klasickej difúzie, potom v dizajne TMR dochádza k prechodu čisto kvantového tunela cez separačnú vrstvu (klasicky zakázaný proces, pri ktorom častica prechádza cez potenciálnu bariéru presahujúcu jej kinetickú energiu).
Tieto typy zariadení sa nazývajú magnetické tunelové spojenia alebo MTJ (magnetické tunelové spojenia). Hlavnou črtou tohto efektu je, že tunelovanie – a teda prenos rotácie cez bariéru – môže nastať iba vtedy, ak je rotácia častice „správne“ orientovaná.
Hoci tunelovanie závislé od rotácie bolo prvýkrát preukázané už v roku 1975, ako väčšina kvantových javov fungovalo iba pri veľmi nízkych teplotách. Až v roku 1995 sa ukázalo, že je to možné pri izbovej teplote.
Najprv však bolo možné zarovnané spiny častíc vo feromagnetických vrstvách prepnúť z paralelného do antiparalelného stavu len pre 12-18 % elektrónov, čo pre praktické zariadenia stále zďaleka nestačí. Koncom 90. rokov však intenzívny brainstorming medzi vývojármi a správne finančné investície viedli k riešeniu problému: želaný pomer sa zvýšil na 70 %.
Navyše do polovice 2000-tych rokov umožnili najnovšie technológie poskytujúce atómovo hrubé plošné rozhrania medzi kovovými a oxidovými vrstvami dosiahnuť hodnoty TMR rádovo 400 % – vďaka špeciálnemu efektu koherentného tunelovania.
Výsledkom bolo, že pamäťové polia MRAM založené na tunelovej magnetorezistencii boli uvedené do výroby a predaja pred koncom desaťročia. Takže v blízkej budúcnosti, keď bude technológia lacnejšia, MRAM umožní vyrábať domáce počítače, ktoré sa dokážu okamžite zapnúť a vypnúť. Našťastie sa stav systému bude ukladať do rýchlej a stálej pamäte.
⇡ Injektory a detektory
Z tohto dôvodu boli potrebné podrobnosti v predchádzajúcom príbehu o spintronickej pamäti. Kľúčové body tohto príbehu – od špecifík technológie až po všeobecnú trajektóriu jej transformácie z demo vzorky na sériovo vyrábaný produkt – sú veľmi podobné ceste spintroniky k polovodičovým čipom.
Azda najdôležitejším rozdielom je, že efekt TMR je založený na veľkom počte elektrónov, ktoré majú požadovaný spinový stav a udržujú ho počas prechodov cez rozhrania medzi feromagnetickými kovmi a izolačnými oxidmi kovov.
No, aby sa polovodičové spintronické zariadenia stali možnými, je potrebné dosiahnuť v podstate rovnaké správanie elektrónov – ale len cez rozhrania vytvorené medzi polovodičom a materiálom fungujúcim ako spinový injektor alebo spinový detektor.
Keďže kremík a arzenid gália sú dva najpoužívanejšie polovodiče v priemysle, hlavnou úlohou vývojári - nájsť spinovo polarizované materiály (látky, v ktorých je väčšina spinov elektrónov zarovnaná v danom smere), ktoré by sa s nimi dali efektívne kombinovať.
História dlhého a náročného hľadania materiálov tohto druhu ešte ani zďaleka nie je napísaná. Samozrejme, tu by sme mohli hovoriť o viacerých rôzne prístupy, s rôznou mierou úspechu, používaný v mnohých laboratóriách po celom svete na riešenie tohto najťažšieho problému. Ale asi bude lepšie túto tému nateraz preskočiť.
Pretože na konci prvého desaťročia 21. storočia vyzeral výsledok všetkých výskumov o zavedení spintroniky do mikroobvodového priemyslu asi takto. Napriek mnohým lokálnym úspechom sa vo všeobecnosti nikomu nepodarilo nájsť vhodné (feromagnetické polovodičové) materiály, ktoré pracujú pri izbovej teplote a sú vhodné na použitie v praktických polovodičových spintronických zariadeniach...
Napriek takémuto žalostnému výsledku to však vôbec neznamená, že sa pokrok zastavil a zastavil.
⇡ Geislerove zlúčeniny
Mimoriadne dôležitá udalosť pre históriu spintroniky nastala v lete 2010, keď bol objav fyzikov z nemeckej univerzity v Mainzi publikovaný prostredníctvom časopisu Nature. Táto univerzita má dlhodobo povesť jedného z hlavných svetových centier pre výskum takzvaných Heuslerových zlúčenín (o špecifických vlastnostiach týchto materiálov neskôr).
Vďaka novému objavu vedcov, ktorí objavili veľmi zvláštny kvantový stav hmoty v Heuslerových zlúčeninách – nazývaný „topologický izolátor“ – sa otvorili aj nové úžasné vyhliadky na vývoj spintronických technológií. A to nielen v oblasti pamäťových zariadení, ale aj pre polovodičové čipy a pre nové napájacie batérie a pre mnoho ďalších atraktívnych aplikácií.
Aké sú tieto materiály Geisler?
V prvom rade je vhodné poznamenať, že vo všeobecnosti treba nemecké priezvisko Heusler čítať ako Heusler. Avšak, podľa stáročia ruská tradícia Cudzie mená a tituly sa vyslovujú vlastným spôsobom. Básnik známy vo svete ako Heine sa u nás volá Heine. Hudson Bay voláme Hudson. Z rovnakého dôvodu sa inžinier-vedec Friedrich Heusler, ktorý na začiatku 20. storočia objavil nezvyčajné vlastnosti zliatin obyčajných kovov, v Rusku stále bežne nazýva po starom - Heusler.
Geislerovej materiály sú už dlhé roky stredobodom vedeckého výskumu z nasledujúceho dôvodu. Keďže ide o relatívne jednoduché chemické zlúčeniny troch základných prvkov, Heuslerove zlúčeniny môžu mať širokú škálu rôznych fyzikálnych vlastností.
Najznámejším špecifickým znakom týchto zlúčenín je teda to, že vykazujú iné charakteristiky, než aké sa prirodzene očakávajú od prvkov, ktoré ich tvoria. Prvá Geislerova zmes bola napríklad vyrobená z nemagnetických prvkov – medi, mangánu a hliníka. Ich zliatina Cu 2 MnAl sa však aj pri izbovej teplote správa ako feromagnet. Podobne, keď sú tri kovy kombinované v inej kombinácii, výsledkom môže byť polovodič.
Trochu podrobnejšie, Geislerove zlúčeniny sú materiály s veľmi všeobecná štruktúra zloženie, vyjadrené vzorcom X2YZ (kde X, Y sú prechodné kovy a Z sú prvky zo skupín III-V periodickej tabuľky). Pretože každý z prvkov X, Y, Z možno vybrať z približne 10 rôznych kandidátov, celkový počet všetky druhy Heuslerových materiálov sa zhruba odhadujú na čísla rádovo 1000 (navyše existujú takzvané „polovičné Heuslery“, opísané vzorcom XYZ a majúce aj spektrum zaujímavé vlastnosti).
Vďaka nekomplikovanej a flexibilnej štruktúre v jadre je možné požadované vlastnosti Heuslerových zmesí vyladiť úpravou ich zloženia. Inými slovami, výskumníci majú veľmi širokú triedu látok, ktoré sa ľahko vyrábajú a často pozostávajú z relatívne lacných verejne dostupných komponentov, no zároveň umožňujú získať materiály s veľmi exotickými feromagnetickými alebo polovodičovými vlastnosťami.
Najmä vďaka tomu sú dnes Heuslerove zlúčeniny považované za veľmi perspektívny materiál na výrobu solárnych článkov a iných termoelektrických generátorov schopných priamo premieňať teplo na elektrinu. Napríklad, bez pohyblivých častí konštrukcie, vyrábať elektrinu z procesov kolaterálnej výroby tepla strojov a zariadení.
Keď v polovici roku 2000 prvý teoretici a čoskoro aj experimentátori objavili v prírode úplne nový stav hmoty nazývaný topologický izolátor, potom sa po určitom čase ukázalo, že aj tu sa Heuslerove zlúčeniny ukázali ako mimoriadne užitočný materiál. .
Pre v posledných rokochšesť-sedem topologických izolátorov, alebo skrátene TI, sú veľmi horúca téma výskum v oblasti fyziky pevných látok a vedy o materiáloch. Hlavná charakteristickú vlastnosť Za TI sa považuje fakt, že hoci sú tieto materiály skutočne izolantmi alebo polovodičmi, ich povrchy sa správajú ako vodivý kov – kov však nie je ani zďaleka obyčajný. Rovnako ako v supravodičoch, v TI sa elektróny pohybujú po povrchoch bez interakcie s okolím - pretože sú v predtým neznámom kvantovom stave "topologickej ochrany".
Zároveň je v ostrom kontraste s fyzikou supravodičov ďalšia vlastnosť TI. V topologických izolátoroch nie je na povrchu jeden, ale dva prúdy, ktoré spolu neinteragujú - jeden pre každý zo smerov rotácie, ktoré prúdia v opačných smeroch.
A je asi jasné, že tieto dva stabilné spinové prúdy, ktoré nie sú ovplyvnené štrukturálnymi defektmi alebo kontamináciou v materiáli, sa zdajú byť vytvorené na použitie v spintronike (ako aj v iných aplikáciách kvantovej informačnej vedy – napr. počítače).
Takže už len z týchto úvah si možno predstaviť, aký silný sa vo vedeckej komunite prejavil záujem a dokonca, možno povedať, násilné vzrušenie, keď sa ukázalo, že takéto pozoruhodné vlastnosti Geislerove materiály, ktoré vedci dlho skúmali a ovládali, majú TI.
Existuje niekoľko dôvodov pre takéto vzrušenie.
Po prvé, záujem o Geislerove zlúčeniny je spôsobený ich schopnosťou prejavovať to, čo odborníci nazývajú „polokovový“ charakter. Pojem "polokovový charakter" sa vzťahuje na skutočnosť, že daný materiál je schopný súčasne poskytovať kovové správanie pre elektróny s jednou spinovou zložkou (ako sú spin-up elektróny) a izolačné správanie pre inú spinovú orientáciu (ako je spin-down ). Materiály zároveň dokážu preukázať úroveň spinovej polarizácie 100 %, čo z nich robí ideálnych kandidátov na spinové polarizátory (injektory) alebo naopak na spinové detektory.
Po druhé, Geislerove zmesi nie sú len veľmi veľkou triedou materiálov, ktorá má viac ako 1000 zástupcov. Obsahuje - podľa výpočtov - viac ako 50 zlúčenín, ktoré majú odlišné vlastnosti topologických izolantov.
To nasleduje aj „do tretice“: vďaka takejto rozmanitosti je teraz možné nielen vybrať požadované, ale aj vyvinúť úplne nové fyzikálne efekty. Už teraz je celkom jasné, že keďže sú tieto materiály zložené z troch prvkov, určite dokážu okrem kvantového stavu topologickej ochrany povrchu ponúknuť aj široké spektrum ďalších zaujímavých vlastností.
Najmä je teraz možné kombinovať niekoľko neobvyklých kvantových stavov v jednom materiáli naraz, keď napríklad supravodivosť a topologický povrch navzájom interagujú. A to otvára cestu k úplne novým, experimentálne ešte neobjaveným charakteristikám, z ktorých niektoré už boli teoreticky predpovedané...
Po štvrté a napokon, vývoj nových Heuslerových zmesí nie je v žiadnom prípade jediným prístupom v tejto oblasti k vytvoreniu požadovaných vlastností materiálu. Ďalšou sľubnou alternatívou je modifikácia už dobre známych materiálov, pretože aj tie môžu byť štruktúrované tak, aby zodpovedali požadovaným vlastnostiam. Navyše takáto „prestavba“ môže v konečnom dôsledku generovať materiály, ktoré možno považovať za nové.
Jedným z typických postupov na úpravu dobre vyvinutých materiálov je iónová implantácia. Pri tejto operácii sa vzorka štandardného materiálu ošetrí lúčom iónov, ktoré spôsobujú zmeny v kryštálovej mriežke a zostávajú vložené do štruktúry materiálu ako prísady. Potom sú nové vlastnosti materiálu výsledkom dvoch faktorov naraz: zmien v štruktúre spôsobených „bombardovaním“ a prítomnosti nových atómov v štruktúre.
Keď zhrnieme všetky tieto dôležité objavy vo vzťahu špecificky k spintronike, už teraz môžeme celkom s istotou povedať, že Heislerove zlúčeniny sú predurčené na to, aby tu zohrali kľúčovú úlohu. Pretože je zrejmé, že tieto materiály umožňujú úplne nový spôsob prekonávania známych prekážok, ktoré bránia kombinácii bežných feromagnetík so štandardnými priemyselnými technológiami v polovodičovom priemysle.
⇡ Spintronika v 3D
Materiály Heusler sú nepochybne mimoriadne sľubným smerom ďalšieho pokroku. Aby však nevznikol mylný dojem, že toto je dnes takmer jediná cesta rozvoja spintroniky, bolo by užitočné preskúmať ďalšie zaujímavý vývoj. Napríklad spintronika založená na organických materiáloch. Alebo spintronic track memory (magnetic racetrack memory, MRM). Alebo nakoniec spintronické zdroje energie založené na magnetických tunelových spojoch.
Dĺžka článku však nie je flexibilná, preto sa tu na záver recenzie obmedzíme len na krátky príbeh o ďalšom pozoruhodnom a úplne novom vývoji. Vyrobili ho vedci z University of Cambridge a spája dve najsľubnejšie oblasti modernej elektroniky – spintroniku a 3D čipy.
Myšlienka viacvrstvových alebo skladaných, ako sa hovorí, návrhov 3D čipov prebieha už nejaký čas, prinajmenšom od 90. rokov minulého storočia. Podstata myšlienky je celkom jednoduchá. Ak sa na tej istej kremíkovej báze ako teraz naučíme vytvárať nie ploché, ale skutočne trojrozmerné – s mnohými spojeniami medzi vrstvami – integrované obvody s približne 100 vrstvami, potom bude Mooreov zákon s najväčšou pravdepodobnosťou naďalej správne fungovať. Ešte aspoň 15 rokov.
Jednou z najväčších výziev, ktorým dizajnéri 3D čipov stále čelia, je, že spoliehanie sa na tradičnú elektroniku nikdy nemôže prísť s naozaj dobrým spôsobom prenosu informácií medzi vrstvami. Ak sa v tejto veci spoliehate na konvenčné obvodové tranzistory, potom sa spotreba energie výrazne zvyšuje a odvod tepla v skladanom dizajne sa naopak stáva oveľa komplikovanejším - pretože väčšina prvkov je teraz skrytá vo vnútorných vrstvách. čipu.
Inými slovami, tradičný prístup k 3D návrhu čipu je nielen neohrabaný a drahý, ale tiež nedokáže udržať odvod tepla v rozumnom rozsahu. A to všetko znamená, že v trojrozmernom dizajne mikroobvodov je veľmi žiaduce spoliehať sa na niečo iné na prenos informácií medzi vrstvami.
Vedci z Cavendish Laboratory v Cambridge sa na to rozhodli využiť spintroniku. To znamená, že v skladanom viacvrstvovom dizajne typickom pre 3D čipy vymysleli a implementovali dômyselný mechanizmus vertikálnych medzivrstvových spojení, ktorý funguje na báze kvantového spinu častíc.
Svoj vývoj nazvali „spintronic posuvný register“ a tento dizajn funguje ako druh kvantového račňového mechanizmu – kde sú bity údajov a príkazy zakódované v spinoch jednosmerne posúvané z jednej vrstvy do druhej s minimálnou spotrebou energie, a teda prakticky bez tvorba tepla.
Tento „vertikálny register“ je implementovaný vo forme pomerne šikovnej viacvrstvovej sendvičovej štruktúry, kde sú na seba striedavo naukladané dva rôzne typy kovových vrstiev s hrúbkou len niekoľkých atómov. Vlastnosti sendvičových vrstiev sú zvolené tak, že umiestnenie informačného bitu je posunuté nahor o „jednu bunku registra“ na každé dva preklopenia polarity magnetického poľa.
Inými slovami, určitá „spin-up“ doména v magnetickej vrstve (alebo bunke) 12, povedzme, po dvojitom prepnutí magnetického poľa, sa objaví v bunke (magnetickej vrstve) 13. Tento mechanizmus domény skáče cez vrstvy-poschodia čipu je v skutočnosti V tomto prevedení existuje základný režim činnosti posuvného registra.
Je jasné, že cesta od laboratórnej demonštrácie zariadenia k masovej výrobe na ňom založených spintronic 3D procesorov je s najväčšou pravdepodobnosťou veľmi dlhá. Niet však pochýb o tom, že predvádzaná technológia je skutočne inovatívna, založená na úplne štandardných výrobných postupoch a pre ňu ďalší vývoj(zapnuté tento moment) nemá žiadne zásadné prekážky.
Na doslova novorodeneckú technológiu je to, treba priznať, dosť veľa.
Uvažujme teraz, čo sa deje pri kontakte feromagnetika s polovodičom (obr. 1.17). Pretože koncentrácia nosičov náboja v polovodiči je oveľa nižšia ako vo feromagnetickom kove, oveľa viac elektrónov z nich difunduje do polovodiča. Dynamická rovnováha nastane až vtedy, keď sa na kontakte vytvorí významná potenciálová bariéra – „Schottkyho bariéra“ (obr. 1.17,a). Z tohto dôvodu dochádza v oblasti polovodiča priľahlej ku kontaktu k výraznému ohybu pásov (valencia, zakázané pásmo a vodivé pásy).
Ryža. 1.17.
Keď sa na kontakt aplikuje malé napätie U(„+“ k polovodiču), malé zmeny. Elektrický prúd cez Schottkyho bariéru nepreteká, kým napätie nedosiahne hodnotu blízku výške bariéry. Potom je možné pre elektróny tunelovať cez úzku bariéru (obr. 1.17b).
Polarizované elektróny z feromagnetu vstupujú do polovodiča s energiou oveľa vyššou ako tepelná energia. Takéto „horúce“ elektróny sú veľmi intenzívne rozptýlené a rýchlo strácajú orientáciu svojich spinov. Preto injekcia spinovo polarizovaný elektrický prúd z feromagnetického kovu do polovodiča sa ukazuje ako veľmi neefektívny.
Ako efektívnejšia sa v tomto smere ukázala štruktúra „feromagnetický kov – tunel – polovodič“ (obr. 1.17c). Ohýbanie pásov v polovodiči oddelenom od kovu dielektrikom je nevýznamné. Ak je hrúbka dielektrika veľmi malá (~ 1 nm), tunelovanie začína už pri nízkych napätiach. Injektované spinovo orientované elektróny vstupujú do polovodiča nie tak „horúce“ ako v prípade Schottkyho bariéry. A preto je ich čas uvoľnenia odstreďovania oveľa dlhší. Preto sa napríklad v spinovom tranzistore s polovodičovou bázou (obr. 1.6) používajú medzi polovodičom a feromagnetmi ultrajemné tunelové prechody (na obr. 1.6 z nitridu kremíka).
Pomocou ultratenkého tunelového spojenia v roku 2007 na príklade spinového tranzistora, ktorého štruktúra je znázornená na obr. 1.18 sa zistilo, že spinovo polarizované elektróny vstreknuté do vysoko čistého kremíka môžu mať pomerne dlhý čas spinovej relaxácie a difundovať na významné (v mierke nano- a dokonca aj mikrosveta) vzdialenosti - až 350 μm
Ryža. 1.18.
Na doštičke z vysoko čistého kremíka ( Si(pl.)) s hrúbkou 350 mikrónov bola na vrch nanesená metalizačná vrstva ( Al/Cu) 10 nm hrubá, ultratenká tunelová vrstva Al 2 O 3, feromagnetická vrstva (CoFe) Hrúbka 10 nm a hliníková metalizácia (Al). Táto štruktúra slúžila ako emitor spinovo polarizovaných elektrónov. Zospodu na kremíkový plátok ( Si(pl.)) boli uložené vrstvy feromagnetika (NiFe) a meď (Cu) obe majú hrúbku 4 nm. Na ňom bola narastená vrstva kremíka n-typ (n-Si) a ohmický kontakt z india (v).
Keď bolo na emitor privedené napätie U Uh, z feromagnetika (CoFe) do kremíka cez ultratenkú tunelovú bariéru ( Al 2 O 3 a tenkú vrstvu pokovovania (Al/Cu) boli injektované vodivé elektróny so spinmi orientovanými v smere magnetizácie feromagnetika. Pod napätím U K1 aplikovaný na kolektorovú vrstvu feromagnetika (NiFe), tieto elektróny unášajú cez kremíkový plátok. Ich čas relaxácie spinu a dĺžka difúzie sa ukázali ako dostatočné na to, aby ich značná časť prešla do kolektora. Smer orientácie rotácie je možné určiť zmenou smeru magnetizácie „voľného“ feromagnetu. V tomto prípade kolektorový prúd prudko klesol. Silikónová vrstva n-typ (n-Si) slúži na dodatočné zosilnenie a presnejšie meranie signálov.
Feromagnetické polovodiče
Tunelová križovatka pri zlepšení podmienok pre vstrekovanie spinovo polarizovaného prúdu do polovodiča stále vytvára zvýšenú elektrický odpor a vyžaduje zvýšené prevádzkové napätie. Vedci preto venovali osobitnú pozornosť možnej alternatíve – použitiu skôr polovodičových feromagnetík ako kovových ako zdroja spinovo polarizovaného prúdu – tzv. feromagnetické polovodiče(FP). Späť v 70. rokoch dvadsiateho storočia. také PT ako európium chalkogenidy a spinely ako napr CdCr 2 Se 4 [Nagaev E.L. Fyzika magnetických polovodičov. – M.: Veda. – 1979. – 431 s.]. Feromagnetické vlastnosti však odhalili až pri nízkych teplotách.
V posledných dvoch desaťročiach dvadsiateho storočia. boli intenzívne skúmané tzv "riedené magnetické polovodiče"(RMP, anglicky zriedené magnetické polovodiče, DMS). Ide o klasické polovodiče tohto typu A 2 B 6 a A 3 B 5, silne, do maximálnej možnej rozpustnosti, dopovaný atómami prechodných ("magnetických") kovov, najčastejšie mangánu ( Mn– pretože má najvyššiu rozpustnosť). Výmena interakcie elektrónov z čiastočne vyplnených d- A f- obaly magnetických iónov s pásovými nosičmi náboja hlavného polovodiča výrazne menia jeho vlastnosti a vedú k objaveniu sa nielen feromagnetizmu, ale aj mnohých nových javov, ktoré môžu byť sľubné pre praktické aplikácie. Vo väčšine týchto RMP sa však ukázalo, že Curieho teplota je nižšia ako izbová teplota (napríklad v Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 K – v závislosti od technológie výroby; pri Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 80 K). A iba v prípade polovodičov s veľkou medzerou sa Curieho teplota ukázala byť vyššia ako izbová teplota (napr Ga 1-x Mn X N TK = 400 K). U GaN, dopovaný gadolíniom (magnetický moment jeho atómu sa rovná 8 Bohrovým magnetónom), tenké vrstvy sa stávajú feromagnetickými aj vtedy, keď je jeden atóm gadolínia na takmer milión iónov gália a dusíka. Neskôr sa ukázalo, že použitie ďalších legujúcich prvkov ( Zn, C d atď.), je možné výrazne zvýšiť Curieho teplotu polovodičov s úzkou medzerou (napr. InSb-Mn: Zn, Cd je možné získať súvislý rad RMP s TK = 320-400 K).
IN posledné desaťročie Syntetizuje sa a študuje oveľa širší rozsah magnetických polovodičov. Feromagnetické vlastnosti pri teplotách nad izbovou teplotou boli zistené aj u takých klasických polovodičov, ako je kremík a germánium dopované mangánom alebo inými „magnetickými“ atómami. Tu veľa závisí od technológie dopovania a použitia prídavných legujúcich prvkov.
Na kontakte feromagnetického polovodiča s konvenčným polovodičom rovnakého typu vodivosti nie sú žiadne významné bariéry(obr. 1.19, a, b). Ak PT a konvenčný polovodič majú rôzne typy vodivosti, potom r-p- prechod, prechod elektrického prúdu cez ktorý je možný len v jednom smere (obr. 1.19, c, d). Na obr. 1.19 sú okrem valenčných pásiem (E B1 a E B2) a vodivostných pásiem (EP1 a E P2) konvenčne znázornené aj pásy d- A f- elektróny (E fd), ktoré sú zvyčajne prítomné aj vo feromagnetických polovodičoch. V závislosti od ich polohy vzhľadom na Fermiho hladinu (E Ф) môžu byť čiastočne alebo úplne vyplnené. Aj keď sú čiastočne naplnené, elektrická vodivosť cez takéto zóny je obmedzená, pretože f- a d-elektróny majú nízku pohyblivosť (veľká efektívna hmotnosť).
Injekcia spinovo polarizovaného prúdu do polovodiča z feromagnetických polovodičov sa ukázala byť oveľa efektívnejšia ako z feromagnetických kovov a stupeň jeho spinovej polarizácie môže byť oveľa vyšší - až 100%..
Ryža. 1.19.
V poslednom desaťročí sa aktívne syntetizujú a študujú aj feromagnetické polovodičové nanokompozitné materiály, ktoré zahŕňajú magnetické štruktúry so zmenšenými rozmermi – nanočastice, feromagnetické nanodrôty, ultratenké feromagnetické filmy, čo sú kvantové roviny. Curieho teploty pre takéto nanokompozitné polovodiče sa môžu výrazne líšiť od Curieho teploty zodpovedajúceho „čistého“ polovodiča. Okrem toho je možné výrazne zmeniť vlastnosti systému pomocou vonkajšieho magnetického poľa
Spintronic LED
Pomocou týchto výdobytkov bolo možné vytvárať napríklad prototypy spintronic LED diódy a točiť batérie.
Spintronic LED založené na -prechode sa líšia tým, že ich žiarenie je kruhovo polarizované. Je to spôsobené skutočnosťou, že na rozdiel od konvenčných LED sa do oblasti heterojunkcie, kde dochádza k rekombinácii, vstrekujú spinovo polarizované vodivé elektróny alebo spinovo polarizované „diery“. IN AlGaAs(V GaAs a v ostatných polovodičoch tejto skupiny) sú povolené optické prechody pri rekombinácii elektrónov so spinom +1/2 len s dierami so spinom –1/2, alebo naopak – elektróny so spinom –1/2 len s dierami so spinom + 1/2. Preto fotóny, ktoré sú v tomto prípade emitované, majú spin ±1, t.j. sú polarizované vpravo alebo vľavo. Ide o čisto kvantový efekt. Dynamika rotácie elektrického vektora v takejto kruhovo polarizovanej svetelnej vlne je znázornená na obr. 1.20.
Pri kruhovej absorpcii polarizované svetlo platia rovnaké pravidlá výberu. V dôsledku toho atómy, ktoré absorbujú kruhovo polarizovaný fotón, prechádzajú do stavov s magnetom kvantové číslo, líšiace sa o ±1 od počiatočného stavu. V mnohých nových technológiách, o ktorých tu nehovoríme, sa táto vlastnosť kruhovo polarizovaného svetla využíva na „optickú magnetizáciu“ súborov atómov alebo na ich „optické pumpovanie“ – vytváranie inverznej populácie excitovaných stavov atómov. Na substráte arzenidu gália p + (p + -GaAs) postupne nanášané vrstvy GaAs:Be(20 nm), feromagnetické polovodičové nanočastice MnAs približne 3 nm v priemere, rozmiestnené v 10 nm hrubej matrici arzenidu gália, bariéra tunela arzenidu hliníka ( AlAs), tenký film arzenidu gália ( GaAs, 1 nm) a feromagnetická vrstva MnAs Hrúbka 20 nm. Zlaté kontakty sa vytvárajú na povrchu substrátu a vrstvy MnAs.
Ak nanočastice MnAs pomocou vonkajšieho magnetického poľa premagnetizujte v smere opačný smer magnetizácia magneticky tvrdej vrstvy MnAs(feromagnet s pevnou magnetizáciou), potom v dôsledku vstrekovania spinovo polarizovaných elektrónov z neho cez tunelový prechod vzniká na vonkajších svorkách elektrické napätie. Ak zatvoríte externé elektrický obvod potom na feromagnetické nanočastice MnAs budú „prúdiť“ elektróny, ktorých spiny sú orientované v smere magnetizácie „pevného“ feromagnetu. Tieto elektróny, ktoré sa hromadia, vedú k postupnému preorientovaniu feromagnetických nanočastíc. Ak je vonkajší obvod otvorený, prúd sa zastaví a spolu s ním sa zastaví aj obrátenie magnetizácie feromagnetických nanočastíc.
Dá sa nabíjať bezkontaktne. Takéto batérie sa môžu stať efektívnym zdrojom napájania pre spintronické obvody a pre mikrozariadenia implantované do ľudského alebo zvieracieho tela.
Spintronika je nový smer v mikroelektronike, založený na použití takej kvantovej mechanickej charakteristiky elektrónov, ako je spin. Zariadenia vytvorené na jej základe sľubujú v blízkej budúcnosti vyriešiť mnohé existujúce a očakávané problémy tradičnej mikroelektroniky: energetickú nezávislosť, zníženú spotrebu energie, zvýšenú hustotu logických prvkov a rýchlosť spracovania dát. Bez preháňania možno druhú polovicu 20. storočia nazvať érou mikroelektroniky. Počas týchto 50 rokov bol svet svedkom technologickej revolúcie, ktorú umožnila digitálna logika a informačné technológie na nej založené. V každom zariadení, od prvého tranzistora až po moderné mikroprocesory, ktoré udivujú svojimi výpočtovými schopnosťami, však mikroelektronika využíva hlavne len jednu vlastnosť elektrónu – jeho náboj. Elektrón má zároveň ďalšiu, aj keď čisto kvantovo-mechanickú charakteristiku – vlastný uhlový moment hybnosti, čiže spin (a s ním spojený magnetický moment), ktorému sa donedávna nevenovala zvláštna pozornosť vývojárov a výskumníkov. Dnes sa situácia mení a do popredia sa dostáva nová technológia s názvom „spintronics“ (spintronika – od spinovej transportnej elektroniky alebo spin-based electronics). Pripomeňme si, že vo vonkajšom magnetickom poli je vlastný magnetický moment elektrónu v dôsledku rotácie orientovaný buď rovnobežne s vektorom magnetickej indukcie (hore) alebo antiparalelne (dole). Zariadenia založené na spinovom efekte využívajú najmä feromagnety. Preto predtým, ako prejdeme k ich podrobnejšiemu zváženiu (zariadeniam), stručne popíšeme magnetické vlastnosti týchto materiálov.
Feromagnety sú látky, ktorých vlastné (vnútorné) magnetické pole môže byť stokrát alebo tisíckrát väčšie ako vonkajšie magnetické pole, ktoré ho spôsobilo. Vysvetľuje sa to existenciou takzvanej výmennej interakcie spojenej s prekrývaním vlnových funkcií elektrónov patriacich k susedným atómom kryštálovej mriežky, ako aj nekompenzovanými spinovými magnetickými momentmi. valenčné elektróny. Práve výmenná interakcia spôsobuje, že spiny elektrónov sú orientované paralelne alebo antiparalelne, podľa toho, ktorý stav je energeticky priaznivejší. V prvom prípade hovoríme o feromagnetizme av druhom o antiferomagnetizme.
Pri teplotách pod takzvaným Curieho bodom sa feromagnet rozpadá na domény spontánnej magnetizácie. Pri absencii vonkajšieho magnetického poľa sú smery magnetizačných vektorov rôznych domén ľubovoľné a výsledná magnetizácia celého tela sa môže rovnať nule. Vo vonkajšom magnetickom poli sú vektory magnetizácie orientované v preferenčnom smere, čím sa vytvára silné vnútorné magnetické pole.
Magnetickú štruktúru antiferomagnetického kryštálu možno považovať za pozostávajúcu z dvoch podmriežok magnetizovaných oproti sebe. Ak sú magnetické momenty podmriežok číselne rovnaké, potom nenastane spontánna magnetizácia, ak nie, potom sa objaví (ferimagnetizmus). Takéto vlastnosti majú napríklad ferity. Pri nízkych teplotách je magnetická susceptibilita antiferomagnetík zanedbateľná, t.j. vo vonkajšom magnetickom poli prakticky nie sú magnetizované.
Zariadenia využívajúce spinové efekty
Začiatok novej elektroniky založenej na fyzikálnych efektoch spôsobených spinom sa datuje do roku 1988, kedy bol objavený fenomén Giant Magneto Resistance (GMR). GMR sa pozoruje v umelých tenkovrstvových materiáloch zložených zo striedajúcich sa feromagnetických a nemagnetických vrstiev. Odolnosť takéhoto kompozitu je minimálna, keď magnetické polia vo feromagnetických vrstvách smerujú rovnobežne, a maximálna, keď sú antiparalelné.
Zariadenia využívajúce GMR sú založené na takzvanom spinovom ventile, ktorého štruktúra je znázornená na obr. 1. Pozostáva z dvoch vrstiev feromagnetického materiálu (zliatiny niklu, železa a kobaltu) oddelených tenkou vrstvou nemagnetického kovu (zvyčajne medi). V jednej z feromagnetických vrstiev je magnetické pole „fixné“, inými slovami, magnetizácia tejto vrstvy je relatívne necitlivá na zmeny vonkajšieho magnetického poľa. Táto fixácia magnetického poľa sa zvyčajne vykonáva pomocou tesne priľahlej vrstvy antiferomagnetika. Výsledné rozhranie medzi dvoma filmami zabraňuje zmene magnetizácie vo feromagnetiku. Druhá feromagnetická vrstva je „voľná“ – jej magnetizáciu je možné meniť vonkajšie pole relatívne nízke napätie. Odpor otočného ventilu v antiparalelných magnetických poliach vo feromagnetikách je o 5–10 % vyšší ako v paralelných.
Iný typ rotačného ventilu môže byť zostavený pomocou fenoménu magnetického tunelového spojenia (MTJ). Takéto ventily pozostávajú z pevných a voľných magnetických vrstiev, ktoré sú oddelené veľmi tenkou vrstvou izolantu, zvyčajne oxidu hlinitého (obr. 2). Odpor sa tu mení pomocou vonkajšieho magnetického poľa úplne rovnakým spôsobom ako v predchádzajúcom prípade. Pri antiparalelných magnetických poliach vo feromagnetikách sa jeho hodnota zvyšuje o 20-40%.
Javy v polovodičoch sa tradične opisujú z kvantovej mechanickej perspektívy. Nastal čas špeciálna teória relativity, keďže v roku 1990 dvaja americkí vedci Supriyo Datta a Biswajit Das uvažovali o možnosti vytvorenia spinového tranzistora s efektom poľa (spin FET) na základe relativistický efekt. V bežnom tranzistore s efektom poľa reguluje napätie aplikované na hradlo množstvo prúdu medzi zdrojom a kolektorom. V relativistickom tranzistore s efektom poľa by mali byť zdrojom a kolektorom feromagnety s paralelne orientovanými spinmi elektrónov, spojené úzkym polovodičovým kanálom (obr. 3). Spiny elektrónov vstreknutých do zdroja sú nastavené paralelne s magnetickými poľami zdroja a odtoku. Teda spinovo polarizovaný prúd tečie zo zdroja do odtoku. V tomto prípade sa elektróny musia pohybovať rýchlosťou 1% rýchlosti svetla vo vákuu. Množstvo prúdu je riadené napätím aplikovaným na bránu. Trik je v tomto. Ak sa presunieme do stacionárneho referenčného rámca spojeného s elektrónom, potom sa v ňom podľa špeciálnej teórie relativity objaví magnetické pole, ktorého sila je určená (v Gaussovej sústave jednotiek) vzorcom 
,
kde je rýchlosť pohybu elektrónov, je sila elektrického poľa vytvoreného potenciálom aplikovaným na bránu a hranaté zátvorky označujú vektorový súčin. Ak je intenzita magnetického poľa dostatočná (teda rýchlosť pohybu elektrónov v v tomto prípade veľmi významné) spiny elektrónov menia orientáciu na opačnú. V dôsledku toho sa odpor kanála zvyšuje a prúd klesá.
Ide o sľubný vývoj a ak sa vrátime k efektu GMR, treba poznamenať, že rozsah jeho aplikácie sa rozširuje. Okrem toho, že sa používajú v technológiách čítania pevných diskov, rotačné ventily GMR sa používajú v galvanických izolátoroch a MRAM (Magneto resistive RAM).
Galvanický izolátor na báze GMR vykonáva rovnakú funkciu ako optoelektronický izolátor, pričom zabezpečuje oddelenie obvodu od napájacieho zdroja a uzemňovacej zbernice. Jeho hlavnými prvkami sú plochá cievka a snímač GMR zabudovaný do integrovaného obvodu (obr. 4). Na prenos signálu z jedného obvodu do druhého prechádza cievkou prúd. Magnetické pole, ktoré vytvára, ovplyvňuje senzor GMR. Takýto izolátor funguje 10-krát rýchlejšie ako moderné optické, a to nie je limit.
Na obr. Obrázok 5 ukazuje diagram magnetorezistívnej pamäťovej bunky (Motorola) založenej na magnetickom tunelovom spojení. MRAM používa hysterézu na ukladanie informácií a GMR na čítanie informácií. Funguje podobne ako polovodičová statická pamäť (SRAM), ale je dôležitá vlastnosť je schopnosť ukladať dáta pri vypnutom napájaní. Ak sa takáto pamäť používa v osobných počítačoch, po zapnutí nebudú vyžadovať pomerne zdĺhavú procedúru zavádzania.
| Ryža. 5. MRAM bunka |
Hlavnými prvkami pamäťovej bunky MRAM sú vzájomne kolmé bitové línie a slovné línie, medzi ktorými sa nachádza štruktúra MTJ. Počas operácie zápisu (obr. 5a) prechádza cez zbernice elektrický prúd, ktorý vytvára magnetické pole, ktoré vo voľnom feromagnetiku mení smer magnetizácie. Počas operácie čítania (obr. 5b) sa zopne oddeľovací tranzistor a štruktúrou MTJ preteká prúd. Zmeny bunkového odporu možno interpretovať ako binárne 0 alebo 1 . Táto pamäť pracuje 1000-krát rýchlejšie ako tradičná EEPROM a nemá žiadne obmedzenie na počet prepisovacích cyklov.
Sľubné smery
Všetky vyššie opísané zariadenia majú spoločné to, že sú na kovovej báze. Významnou nevýhodou tohto prístupu je neschopnosť zosilniť signály. Zjavné kovové analógy k tradičným polovodičovým tranzistorom, v ktorých dochádza k odtoku elektrónov zo základne n-p-n tranzistor umožňuje desiatkam ďalších prúdiť z emitora do kolektora, dnes chýbajú. Nájsť materiály, ktoré majú vlastnosti feromagnetík aj polovodičov, bolo dlhoročným snom výskumníkov. Je to však ťažké dosiahnuť: rozdiel v kryštálovej štruktúre a charaktere je veľmi veľký chemické väzby. Feromagnetické polovodiče by na jednej strane boli zdrojmi spinovo polarizovaných elektrónov a na druhej strane by sa dali ľahko integrovať s tradičnými polovodičovými zariadeniami. Ideálny feromagnetický polovodič by mal mať Curieov bod (teplota, pri ktorej feromagnet stráca svoje vlastnosti) nad izbovou teplotou a umožňovať vytváranie zón s n- A p- vodivosť v jednom jedinom kryštáli. Dnes veľká pozornosť priťahujú takzvané zriedené magnetické polovodiče, zliatiny, v ktorých sú niektoré atómy náhodne nahradené atómami s magnetickými vlastnosťami, napr. Mn 2+. Existujú teoretické predpovede, že pre niektoré triedy takýchto materiálov bude Curieho bod nad izbovou teplotou.
Napriek tomu, že výskum spintroniky prebieha v mnohých krajinách, k praktickým výsledkom je ešte dosť ďaleko. Je potrebné študovať vlastnosti prenosu spinovo polarizovaných elektrónov v rôznych materiáloch a cez rozhrania, ako aj naučiť sa ich generovať vo veľkých množstvách.
Spintronika je ustálený pojem, existujú však rôzne interpretácie: spinová transportná elektronika, spinová elektronika alebo jednoducho spinová elektronika.
Spintronics spája oblasti výskumu a vývoja nanoelektronických zariadení a zariadení založených na efektoch a javoch spinového prenosu ako nosičov informačného signálu. Magnetický spin majú nielen elektróny, ale aj niektoré ďalšie. elementárne častice, ako aj jadrá niektorých atómov. V spintronike magnetické a magnetooptické interakcie v polovodičových štruktúrach, dynamika a koherentné vlastnosti spinov v kondenzovanej hmote, ako aj kvant. magnetické javy v štruktúrach veľkosti nanometrov. Spolu s predtým známymi magnetmi, ako sa vyvinula spintronika, sa objavili nové - magnetické polovodiče - látky, ktoré môžu byť súčasne magnetmi, polovodičmi a optickými médiami. Pásová štruktúra magnetického polovodiča sa líši od dvojpásmovej štruktúry bežných polovodičov, kovov a dielektrík prítomnosťou špeciálneho tretieho pásma, ktoré je tvorené elektronickým d- A f- obaly atómov prechodných prvkov alebo prvkov vzácnych zemín. Medzi experimentálne techniky spintroniky patrí magnetooptická spektroskopia s vysokým (femtosekundovým) časovým rozlíšením, mikromechanická magnetometria, skenovacia mikroskopia atómovej a magnetickej sily so subatomárnym rozlíšením, skenovacia optická mikroskopia v blízkom poli, nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia (NMR) atď. Chemická, litografická a technológie molekulárnych klastrov umožňujú vytvárať rôzne nanoštruktúry s potrebnými magnetickými vlastnosťami pre spintroniku. Ak je v konvenčnej tuhej mikro- a nanoelektronike informácie reprezentované pomocou nabíjačka, potom spintronika využíva reprezentáciu informácie pomocou magnetického momentu kvantových častíc.
Jedným z fenoménov spintroniky, tzv gigantický magnetický odpor (GMR), bol použitý v magnetických hlavách pevných diskov. Vďaka tomu sa kapacita diskov za päť rokov zväčšila stonásobne. Strategický a ekonomický význam vývoja v oblasti spintroniky je zrejmý. V spintronických zariadeniach nevyžaduje reverzácia otáčania prakticky žiadne výdavky na energiu a medzi operáciami je zariadenie odpojené od zdroja energie. Ak zmeníte smer rotácie, kinetická energia elektrónu sa nezmení. To znamená, že sa nevytvára takmer žiadne teplo. Rýchlosť zmeny polohy odstreďovania je veľmi vysoká. Experimenty ukázali, že k prevráteniu dôjde v priebehu niekoľkých pikosekúnd (bilióntiny sekundy).
V magneticky usporiadaných kryštáloch spiny vzájomne interagujú dvoma spôsobmi: je to buď obvyklá interakcia magnetický dipól-dipól alebo výmenná interakcia. Dva typy interakcie spôsobujú dva typy elastických síl v magnetickom dielektriku - magnetické a výmenné sily. Prvé z nich sú diaľkové. Mnoho uzlov kryštálovej mriežky sa zúčastňuje interakcie naraz a často sa nazýva kolektívna.
V krátkodobom poradí dochádza k výmennej interakcii medzi susednými atómami. Výmenné sily sú krátkeho dosahu a dobre opisujú krátkovlnné poruchy miest kryštálovej mriežky. V tomto prípade sú posuny susedných uzlov kryštálovej mriežky pomerne veľké a do popredia sa dostávajú výmenné sily.
Dlhovlnné poruchy teda spôsobujú magnetické sily alebo magnetickú elasticitu a krátkovlnné poruchy spôsobujú výmenné sily alebo výmennú elasticitu.
Prítomnosť dvoch typov rušenia vedie k možnosti generovania a šírenia dvoch typov vĺn - spinovej magnetostatickej a spinovej výmeny.
Vlny prvého typu sa nazývajú magnetostatické, druhé - spin. Rozdelenie spinových vĺn na dva typy je veľmi ľubovoľné a je potrebné súčasne brať do úvahy príspevok oboch typov interakcií (obr. 5.11).
Ako už bolo uvedené, existuje niekoľko typov vĺn. Ak je vlnová dĺžka l výrazne väčšia ako rozmery kryštálovej mriežky (l >> A), potom sa pomalé vlny môžu šíriť v magneticky usporiadaných štruktúrach. Sú spôsobené interakciou dipól-dipól na veľké vzdialenosti. Vlny tohto typu sa nazývajú magnetostatický (MSV). Tieto vlny sú schopné prenášať energiu v dôsledku interakcie dipól-dipól.
Obr.5 11. Schéma vzniku spinovej vlny
Ak vlnová dĺžka rušenia (l ³ A), potom sú takéto vlny spôsobené výmennou interakciou a vlny tohto typu sa nazývajú točivé vlny (SV). Energia v tomto type vĺn sa prenáša v dôsledku výmeny. Existujú dipólovo-výmenné vlny, pre ktoré sú dipólový a výmenný prenosový mechanizmus rovnako významný.
Takže spinová vlna je vlna narušenia magnetického poriadku alebo elementárneho budenia.
Kvázičastice zodpovedajúce spinovej vlne sa nazývajú magnóny. Magnony, ako všetky kvázičastice, majú energiu E = ћw, kvázi-impulz R = ћk a magnetický moment m.
V najjednoduchšom prípade je magnetický moment magnónu rovný magnetickému momentu atómu a smeruje proti rovnovážnej magnetizácii.
Praktický záujem je povrchová magnetická dipólová vlna alebo povrchová magnetostatická vlna (PMSV). Jeho skupinová rýchlosť sa zhoduje v znamienku s fázovou rýchlosťou, ich energia a fáza sa pohybujú rovnakým smerom. Pre film ytriového železného granátu (YIG) je frekvencia oscilácií približne 10 GHz pri rýchlosti šírenia v= 4 - 106 cm/s.
Jedinečné vlastnosti magnetostatických vĺn sú široko používané v prvkoch a zariadeniach v rozsahu mikrovlnných vlnových dĺžok. Najrozšírenejšie prijímané oneskorovacie vedenia na magnetostatických vlnách.
Delay linky sú zariadenia na dočasné oneskorenie elektrických signálov s malými deformáciami v ich tvare.
Teoreticky môžu byť oneskorovacie linky vyvinuté v širokom frekvenčnom pásme s rôznymi zákonmi zmeny času oneskorenia, napríklad konštantné oneskorenie, lineárne oneskorenie atď.
Jeden z návrhov oneskorovacích vedení mikrovlnného signálu je znázornený na obr. 5.12. Oneskorovacia linka je namontovaná na substráte z oxidu hlinitého (umelý zafír, korund). Ovládacia obrazovka je tiež základom vzrušujúceho mikropáskového vedenia. Vstupné a výstupné mikrovlnné signály prechádzajú cez koplanárne vlnovody, ktoré sa vytvárajú v tienidle leptaním. Na kontrolné sito sa nanesie sklenený substrát s hrúbkou asi 20 mikrónov. Mikropásiky boli umiestnené na sklenený substrát a pripojené k koplanárnym vodičom. Vstupné a výstupné mikropásiky sú vyrobené pomerne úzke (do 50 µm), aby poskytli požadovanú šírku pásma budenia.
Ryža. 5.12 Štruktúra oneskorovacej linky na fólii YIG:
1 – substrát GGG; 2 - fólia YIG; 3 – mikropásik
linka; 4 – kontrolná obrazovka (strieborná - zlatá);
5 – substrát oxidu hlinitého; 6 – výstup koplanárnych čiar; 7 - koplanárny riadkový vstup
Samostatne sa pripraví film ytriového železitého granátu (Y 3 Fe 5 O 12) na substráte gálium gadolínium granátu (GGG) (Gd 3 Ga 5 O 12). Táto kombinácia umožňuje získať filmy vysoký stupeňštrukturálne zlepšenie, malé straty na mikrovlnných frekvenciách. Takýto sendvič YIG-YGG sa umiestni na vrchnú časť skleneného substrátu.
Takto vytvorená oneskorovacia linka na povrchovom MSW pracuje v rozsahu rádovo 10 GHz, so šírkou pásma 200 MHz, oneskorením v pásme rádovo 100 ns/cm so stratou vloženia rádovo 10 dB. .
Jednou z oblastí súvisiacich s vývojom bezdisperzných laditeľných oneskorovacích liniek na MCB v širokom frekvenčnom pásme je použitie kaskádových obvodov. Ide o dva lineárne laditeľné LP zapojené do série s komplementárnymi charakteristikami. Na tento účel sa používajú LP na povrchových alebo priamych volumetrických MSW s normálnou disperziou alebo LP na reverzných volumetrických MSW s anomálnou disperziou.
Takéto konštrukcie umožňujú modulovať celkové oneskorenie signálu v rámci určitých limitov Very zaujímavá aplikácia Magnetostatické vlny boli nájdené vo filtroch mikrovlnného signálu. Takéto filtre majú hornú hranicu frekvencie v oblasti nad 50 - 60 GHz a pracujú v reálnom čase. Filtre MSW možno ľahko vyladiť v celom spektrálnom rozsahu v dôsledku zmien vonkajšieho magnetického poľa.
Pomocou magnetostatických vĺn boli vyvinuté efektívne prenosové vedenia, tlmiče hluku, páskové pomalovlnné štruktúry a iné mikrovlnné zariadenia.
V oblasti nanoelektroniky existuje veľa nápadov na využitie spinov elektrónov ako nosičov informačného signálu v prístrojoch a zariadeniach na spracovanie a ukladanie informácií.
Navrhuje sa konštrukcia tranzistora, ktorá sa podobá konštrukcii tranzistora MOS. Zariadenie so spinovým elektrónom musí obsahovať tri hlavné prvky:
Generátor - zdroj na vstrekovanie spinovo polarizovaných elektrónov, ktorých spiny sú zarovnané správnym smerom;
Zariadenie na riadenie toku toku v polovodiči, ako je elektrické pole na pohyb elektrónov;
Detektor je odtok na meranie výsledného spinového prúdu.
Ako zdroj je použitý feromagnet, ktorý do kanála tranzistora vháňa tok elektrónov so 100% spinovou polarizáciou. Drenáž je spinový filter, ktorý prepúšťa iba elektróny s príslušnou spinovou polarizáciou. Interakcia spin-orbita v kanáli je riadená napätím brány a vytvára rotáciu rotácie. Pri otočení o 180° už elektróny neprechádzajú do odtoku, prúdu rovná nule. Toto je uzavretý stav tranzistora. Potenciál brány vytvára v kanáli kolmé elektrické pole, ktoré spôsobuje anizotropiu v pohybe elektrónov vzhľadom na tento smer.
Treba zdôrazniť, že spinový tranzistor s efektom poľa funguje na úplne iných princípoch ako bežný tranzistor s efektom poľa. Spinový tranzistor bude mať nízke riadiace napätie, nízku spotrebu energie a vysokú rýchlosť. Je potrebné hľadať kompromisné riešenia, pretože zníženie hradlového napätia vedie k zvýšeniu dĺžky kanála pre efektívnu rotáciu rotácie.
To znižuje výkon a spôsobuje, že prúd v uzavretom stave je neprijateľne veľký v dôsledku procesov spinovej relaxácie. Záver je tento: kým sa nevyvinú štruktúry, v ktorých sa vyvinie oveľa silnejšia interakcia spin-orbita, tranzistor s efektom spinového poľa bude horší ako ten kremíkový. Treba dodať, že zatiaľ neexistuje ani ideálny 100% injektor rotujúceho prúdu, a teda ani 100% filter. Ale toto je začiatok práce. Pripomeňme si, ako nemotorne vyzeral prvý tranzistor – žiadny zápas so súčasným zázrakom pokroku.
Začala sa hromadná výroba pamäťové moduly spintronic MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory - magnetorezistívna pamäť s náhodným prístupom). Hlavným rozdielom medzi takýmito modulmi je, že zaznamenané informácie sa nestratia, keď sa vypne napájanie, pretože elektróny sú schopné udržať svoju spinovú polohu tak dlho, ako je to potrebné. MRAM už našla uplatnenie v mobilných telefónoch, mobilných počítačoch a identifikačných kartách. Okrem toho armáda používa novú pamäť na ovládanie bojových rakiet a monitorovanie vesmírnych staníc. Vysoko presné snímače uhla, polohy a rýchlosti otáčania sa široko používajú v automobilových komponentoch a mechanizmoch, napríklad v protiblokovacom brzdovom systéme, ktorý vodiči poznajú ako ABS (Antilock Braking System), vďaka ktorému vozidlo udržuje priamy smer jazdy. pohyb pri brzdení na klzkom povrchu vozovky. Moderné počítačové, televízne a video zariadenia si nemožno predstaviť bez spintronických zariadení. Okrem pevných diskov možno pokroky v spintronike nájsť v osobných videorekordéroch (tunery na zachytávanie video signálov z analógových zariadení), v zariadeniach pre televíziu s vysokým rozlíšením (HDTV) a v jednotkách DVD so záznamom v blízkosti poľa (NFR).
Práca v oblasti spintroniky a vytváranie zariadení založených na efektoch spinového prenosu sa len začína. Očakáva sa, že budú mať oproti nim výhodu známe zariadenia na prenos náboja podľa takých parametrov, ako je veľkosť, rýchlosť, strata energie. Elektrónové spiny lokalizované v kvantových bodkách možno použiť ako nosiče informačného signálu pre výpočtové zariadenia novej generácie.
V nadchádzajúcich rokoch sa bude spintronika rozvíjať v troch hlavných smeroch: kvantový počítač, tranzistor s efektom spinového poľa a spinová pamäť. Je dosť možné, že o 10 - 15 rokov nová oblasť veda – spintronika bude rovnako dôležitá ako dnes elektronika.
