Bazat e spintronikës. Hard disqe dhe spintronika

Shkencëtarët nga IBM Research dhe qendra kryesore evropiane e arsimit dhe kërkimit ETH Zurich kanë marrë imazhe të formimit të një spiraleje të qëndrueshme rrotulluese në një gjysmëpërçues për herë të parë në histori.

­
­
­
­

“Zakonisht, rrotullimet e tilla të elektroneve ndryshojnë shpejt dhe humbasin orientimin e tyre. Por për herë të parë arritëm të gjenim një mënyrë për të barazuar pronat e tyre në një cikël të rregullt rrotullimesh të ndryshimit."
­
­
­
­
­
­

Pak për spintronikën

Cili është misioni i spintronicës?
Në dhjetë deri në pesëmbëdhjetë vitet e ardhshme, përpunuesit e silikonit do të arrijnë kufijtë e tyre. Prandaj, shkencëtarët tashmë po kërkojnë të reja parimet fizike, mbi të cilat do të ndërtohen pajisje me shpejtësi të lartë me konsum të ulët të energjisë dhe shpërndarje të nxehtësisë.
Në pajisjet spintronic, kthimi i rrotullimit nuk kërkon pothuajse asnjë shpenzim energjie, dhe ndërmjet operacioneve pajisja shkëputet nga burimi i energjisë. Nëse ndryshoni drejtimin e rrotullimit, energjia kinetike e elektronit nuk ndryshon. Kjo do të thotë se pothuajse nuk gjenerohet nxehtësi.
Ekspertët identifikojnë tre drejtime kryesore në zhvillimin e spintronics: kompjuter kuantik, tranzistor me efekt të fushës rrotulluese dhe memorie rrotullimi.
Sipas shkencëtarëve nga IBM, elektronet ndryshojnë rrotullimet shumë shpejt - duhen rreth 100 pikosekonda për t'u ndërruar (1 pikosekonda është një e trilionta e sekondës). Dhe kjo është çështja problemi kryesor – 100 pikosekonda nuk mjaftojnë që mikroqarqet të regjistrojnë një ndryshim të gjendjes në sistem.

Pa marrë parasysh se çfarë

Studiuesit në IBM kanë zhvilluar një metodë për sinkronizimin e elektroneve, duke rritur kohën e rrotullimit me 30 herë - deri në 1 nanosekondë (e barabartë me një cikël mikroprocesor me një frekuencë prej 1 Gigahertz).
­

­
­
­
­
­

Vëmendja e shkencëtarëve u tërhoq nga një fakt i papërshkruar më parë nga fizikanët - kur elektronet rrotullohen në gjysmëpërçues, rrotullimet e tyre lëvizin dhjetëra mikrometra, ndërsa rrotullohen në mënyrë sinkrone, si çiftet e valsit.
­
­
­

“Nëse në fillim të rrethit në një vals fytyrat e të gjitha grave janë të kthyera në një drejtim, atëherë pas njëfarë kohe çiftet rrotulluese do ta gjejnë veten duke kërkuar në drejtime të ndryshme.
Tani kemi mundësinë të regjistrojmë shpejtësinë e rrotullimit të kërcimtarëve dhe ta lidhim atë me drejtimin e lëvizjes së tyre. Rezultati është një koreografi ideale - fytyrat e të gjitha grave vallëzuese në një zonë të caktuar të sitit drejtohen në një drejtim."

Në laboratorët e IBM Research, shkencëtarët përdorën impulse lazer ultrashkurtër për të vëzhguar lëvizjet e mijëra rrotullimeve të elektroneve që u lëshuan në rrotullim njëkohësisht brenda një rajoni ultra të vogël.
Studiuesit e IBM përdorën teknika të mikroskopit të skanimit me zgjidhje me kohë për të kapur imazhe të "valsit" sinkron të rrotullimeve të elektroneve. Sinkronizimi i rrotullimit të rrotullimeve të elektroneve bëri të mundur vëzhgimin e lëvizjes së tyre në distanca më shumë se 10 mikron (një e qindta e milimetrit), gjë që rriti mundësinë e përdorimit të rrotullimit për përpunim. operacionet logjike– i shpejtë dhe ekonomik për sa i përket konsumit të energjisë.
­

Arsyeja e lëvizjes sinkrone të rrotullimeve është i ashtuquajturi ndërveprim spin-orbitë, një mekanizëm fizik që lidh spin-in me lëvizjen e një elektroni. Mostra eksperimentale e gjysmëpërçuesit është bërë në bazë të arsenidit të galiumit (GaAs) nga shkencëtarët nga ETH Cyrih. Arsenidi i galiumit, një gjysmëpërçues i Grupit III/V, përdoret gjerësisht në prodhimin e pajisjeve të tilla si qarqet e integruara, LED infra të kuqe dhe qelizat diellore me efikasitet të lartë.

Marrja e elektronikës rrotulluese nga laboratorët në treg mbetet jashtëzakonisht sfiduese. detyrë sfiduese. Hulumtimi i sotëm është kryer me shumë temperaturat e ulëta, në të cilën rrotullimet e elektronit ndërveprojnë minimalisht me mjedisin. Në veçanti, ai i përshkruar këtu punë kërkimore u krye nga shkencëtarët e IBM në një temperaturë prej 40 gradë Kelvin (-233 Celsius ose -387 Fahrenheit).
Por, në çdo rast, zbulimi i ri jep kontroll mbi lëvizjen e "ngarkesave" magnetike në pajisjet gjysmëpërçuese dhe hap mundësi dhe perspektiva të reja për krijimin e elektronikës me përmasa të vogla dhe që kursen energji.

Etiketa: Shtoni etiketa

Vetëm gjatë muajit shkurt 2013, media e teknologjisë së informacionit prodhoi një mori lajmesh mjaft të spikatura për arritjet në fushën e spintronicës. Kjo është, për një larmi të re, thelbësisht të ndryshme pajisje elektronike, të cilat në punën e tyre nuk mbështeten në ngarkesën elektrike të grimcave bartëse, por në spinin e tyre - të brendshëm të grimcave veti kuantike, zhvillimi i të cilit premton një revolucion të vërtetë në teknologjinë kompjuterike.

Kjo është ajo që, çuditërisht, duket si vetëm disa nga lajmet më të fundit nga spintronics.

Dy universitetet gjermane, Mainz dhe Kaiserlautern, të cilët përfunduan me sukses kërkimin mbi krijimin e një çipi memorie spintronic bazuar në të ashtuquajturat komponimet Heusler, morën një grant të konsiderueshëm nga shteti në shumën prej 3.8 milionë euro - për të sjellë shpejt teknologjitë e zhvilluara. deri në fazën e prodhimit masiv industrial.

Shkencëtarët në Universitetin Britanik të Kembrixhit arritën të kombinojnë në zhvillimin e tyre dy nga fushat më të avancuara të kërkimit në fushën e elektronikës - çipat 3D dhe spintronika. Falë kësaj, ata ishin në gjendje të krijonin dhe demonstronin një prototip të "procesorit të parë spintronik 3D në botë" (citimet janë të nevojshme këtu, pasi në fakt ky është larg nga një procesor i plotë, por suksesi krijues i studiuesve nuk mund të jetë dyshohet).

Specialistët nga Universiteti i Göttingen - përsëri në Gjermani - arritën të krijojnë dhe sintetizojnë një molekulë të lëndës organike artificiale që mund të luajë rolin e një qelize të qëndrueshme të kujtesës spintronike. Në këtë nivel të miniaturizimit, një pajisje memorie spintronike e bazuar në të lira materiale organike do të lejojë që rreth një petabajt të dhënash (një mijë terabajt, ose një milion gigabajt) të ruhen në një çip me madhësi rreth një inç.

Nëse kësaj pakete lajmesh i shtojmë edhe disa lajme shumë të reja dhe shumë mbresëlënëse - për sukseset e qendrave të tjera kërkimore në SHBA, Japoni dhe vende të tjera, të cilat tashmë i kanë sjellë teknologjitë spintronic shumë afër fazës. prodhimit industrial, atëherë bëhet e qartë: me të vërtetë po vijnë ndryshime të mëdha.

Epo, për të kuptuar më qartë se çfarë lloj teknologjie informacioni po zëvendëson elektronikën konvencionale gjysmëpërçuese, ka kuptim të hedhim një vështrim më të afërt në tiparet e spintronicës. Pse është kaq tërheqëse kjo teknologji, cilat janë problemet më të vështira në zhvillimin e saj dhe si, më në fund, arrijmë t'i anashkalojmë dhe kapërcejmë këto probleme...

⇡ Alternativë natyrale

Ndër ekspertët, shpesh mund të dëgjohet mendimi se vonesat e dukshme në ardhjen e spintronikëve të shumëpritur në jetën tonë shkaktohen kryesisht nga përparimi jashtëzakonisht i qëndrueshëm dhe i suksesshëm në fushën e teknologjive tradicionale gjysmëpërçuese. Domethënë, koha për teknologjinë e re nuk ka ardhur vetëm sepse e vjetra është ende pranë.

Ligji empirik i Moore, siç e dimë, vendos një rregull që në asnjë mënyrë nuk është i provueshëm, por ka funksionuar rregullisht për më shumë se gjysmë shekulli. Falë përpjekjeve të shkencëtarëve dhe inxhinierëve, numri i elementeve të një mikroqarku tipik - me fjalë të tjera, performanca e çipave - vazhdon të dyfishohet rregullisht përafërsisht çdo vit e gjysmë.

Pse ndodh kjo nuk dihet. Por të gjithë e kuptojnë se kjo nuk mund të vazhdojë pafundësisht. Për momentin, dizajni i çipit po lëviz me shpejtësi drejt kufijve të tij fizikë. Ose përndryshe, gjithçka çështje të njohura teknologjitë - me litografi, materiale, ftohje - po i afrohen me shpejtësi një gjendjeje ku tejkalimi i tyre nuk është absolutisht i pamundur, por rezulton të jetë shumë i shtrenjtë dhe joefektiv.

Me pak fjalë, nga njëra anë, kërkohet qartë diçka ndryshe. Nga ana tjetër, ka kohë që është kuptuar se si do të duket saktësisht kjo gjë tjetër.

Prania e një vetie të veçantë të quajtur spin në grimcat e materies - e ilustruar zakonisht me analogji me boshtin e rrotullimit të një maje ose të dy poleve të një gjilpëre magnetike - u vendos në ditët e hershme të mekanikës kuantike. Dhe meqenëse spin-i kuantik i një elektroni merr vetëm dy vlera të mundshme, të quajtura në mënyrë konvencionale "spin-up" dhe "spin-down", një potencial shumë premtues i teknologjisë së informacionit u vu re në këtë dizajn shumë kohë më parë. Në fakt, në natyrë ekziston një bartës i gatshëm i informacionit binar që kodon ose 1 ose 0 në drejtimin e rrotullimit.

Dhe gjëja më e shquar është se ne po flasim për të njëjtin elektron që fillimisht figuronte në themelet dhe thelbin e revolucionit mikroelektronik. Pothuajse të gjitha mikroqarqet gjysmëpërçuese janë ndërtuar mbi transistorë, rolin kryesor në funksionimin e të cilave e luan lëvizja e elektroneve. Më saktësisht, lëvizja e ngarkesave elektrike të natyrshme në elektrone. Ndërsa spin-i i elektronit - i zbuluar pothuajse 90 vjet më parë - është injoruar në industrinë e gjysmëpërçuesve, në fakt, plotësisht ...

Megjithatë, duke qenë se të gjithë janë dakord që ligji i Moore duhet të vazhdojë të funksionojë, atëherë teknologjia nën emrin e përgjithshëm spintronics tani vepron si alternativa më e natyrshme dhe në të njëjtën kohë më progresive ndaj mikroelektronikës konvencionale. Ky emër më së shpeshti deshifrohet si SPIN TRAnsport ElectrONICS, domethënë "elektronikë e bazuar në transferimin e rrotullimit".

Masa e avantazheve dhe përfitimeve të teknologjisë së re po rritet dita ditës. Ndër më të rëndësishmet janë shpejtësia dhe efikasiteti. Në fund të fundit, rrotullimi i një elektroni mund të kalojë nga një gjendje në tjetrën në shumë më pak kohë sesa duhet për të lëvizur një ngarkesë përgjatë qarkut, dhe kjo bëhet me shumë më pak energji. Plus, gjatë transferimeve të rrotullimit, energjia kinetike e transportuesit nuk ndryshon, që do të thotë se pothuajse nuk lëshohet nxehtësi.

Të marra së bashku, të gjitha këto veçori të teknologjisë bëjnë të mundur krijimin, bazuar në rrymat spin dhe spin (rrjedhjet e rrotullimeve të elektroneve me të njëjtin polaritet), transistorë të rinj, qeliza logjike dhe memorie që do të zëvendësojnë transistorët konvencionalë në qarqet e integruara. Dhe kjo, nga ana tjetër, do të na lejojë të vazhdojmë t'i përmbahemi prirjes drejt miniaturizimit të elektronikës.

Së bashku me zhvillimin e kësaj teknologjie, rezulton se spintronika hap rrugën edhe për krijimin e llojeve krejtësisht të reja të pajisjeve. Të tilla si diodat që lëshojnë dritë (LED), të cilat prodhojnë dritë të polarizuar rrethore me dorën e majtë ose të djathtë, e cila është shumë e dobishme për aplikime në fushën e mbrojtjes, kodimit dhe densifikimit të komunikimeve optoelektronike. Nëse shikoni pak më tej në të ardhmen, rezulton se tashmë ka filluar shfaqja e pajisjeve të tilla spintronike që mund të përdoren si kubit, domethënë elementët bazë të projektimit në kompjuterët kuantikë.

Por në mënyrë që revolucioni spintronik të ndodhë në industrinë e gjysmëpërçuesve, është e nevojshme të gjenden komponentët optimalë të teknologjisë, të cilat studiuesit kanë kërkuar për dekadën e fundit. Në mënyrë tipike, ekzistojnë tre detyra kryesore:

1. metodat për injektimin (d.m.th., "squirting") gjendjet e rrotullimit në një qark;
2. manipulimi i rrotullimit brenda qarkut;
3. zbulimi i gjendjeve spin të elektroneve pas përpunimit.

Është shumë e dëshirueshme që të gjitha këto probleme të zgjidhen në një mjedis gjysmëpërçues, pasi këto materiale ka shumë të ngjarë të mbeten baza fizike kryesore për elektronikën në të ardhmen e parashikueshme.

Manipulimi i rrotullimit të elektroneve konsiderohet një çështje relativisht e thjeshtë dhe jo e sofistikuar (pasi rrotullimi, si një gjilpërë busullore, reagon me shumë ndjeshmëri ndaj ndërrimit fushë magnetike). Por krijimi i injektorëve dhe detektorëve të besueshëm për rrotullime të brishta në aplikime praktike për prodhim masiv është ende një grup i tërë problemesh gjigante.

⇡ Vendi i testimit dhe zona e ngritjes

Kështu që pozicioni i përgjithshëm Meqenëse gjërat në spintronika janë bërë më të qarta, duhet theksuar se manipulimi i spinit të elektroneve është një biznes i madh dhe i zhvilluar sot. Por vetëm jashtë industrisë së gjysmëpërçuesve. Në fakt, pajisjet spintronic me bazë metali janë tani të kudogjendura - në hard disqet e pothuajse çdo kompjuteri në planet.

Në fund të vitit 1988, u zbulua se rrjedha e elektroneve të polarizuara nga spin në një strukturë shtresë shtresore (dy shtresa të holla të një ferromagneti të ndara nga një shtresë metali jomagnetik) mund të ndryshohet ndjeshëm duke kaluar në polaritetin e kundërt të një fushë magnetike të jashtme. Ky efekt, i quajtur GMR, ose magnetorezistencë gjigante, bëri të mundur krijimin e kokave magnetike shumë më të ndjeshme dhe, në përputhje me rrethanat, zvogëlimin e madhësisë së domeneve magnetike që kodojnë të dhënat binare në pllaka. Me fjalë të tjera, kapaciteti i informacionit i disqeve të diskut magnetik është rritur ndjeshëm.

Manipulimi i rrotullimit - transferimi i rrotullimeve të elektroneve midis dy metaleve - është gjithashtu në zemër të MRAM, memorie magnetorezitive me akses të rastësishëm. Kjo është, një lloj i ri i pajisjeve të ruajtjes së kompjuterit që ruajnë informacione pa furnizim me energji elektrike.

Fizika e funksionimit MRAM bazohet në një efekt që të kujton disi GMR dhe i njohur si magnetorezistenca tuneluese (TMR). Këtu, dy shtresa të metalit ferromagnetik ndahen nga një shtresë e hollë e materialit izolues si oksidi i aluminit ose oksidi i magnezit.

Nëse në GMR ka një lëvizje të ngadaltë të elektroneve të polarizuara me spin nga një shtresë ferromagnetike në tjetrën për shkak të difuzionit klasik, atëherë në modelin TMR ekziston një tranzicion i pastër tunel kuantik përmes shtresës ndarëse (një proces klasik i ndaluar në të cilin kalon një grimcë përmes një pengese potenciale që tejkalon energjinë e saj kinetike).

Këto lloj pajisje quhen kryqëzime të tunelit magnetik, ose MTJ (kryqëzime tunelesh magnetike). Karakteristika kryesore e efektit është se tunelizimi - dhe rrjedhimisht transferimi i rrotullimit përmes barrierës - mund të ndodhë vetëm nëse rrotullimi i grimcave është i orientuar "korrekt".

Megjithëse tuneli i varur nga rrotullimi u demonstrua për herë të parë në vitin 1975, si shumica e fenomeneve kuantike, ai funksionoi vetëm në temperatura shumë të ulëta. Vetëm në vitin 1995 u tregua se kjo është e mundur në temperaturën e dhomës.

Në fillim, megjithatë, ishte e mundur të kaloni rrotullimet e rreshtuara të grimcave në shtresat ferromagnetike nga një gjendje paralele në një gjendje antiparalele për vetëm 12-18% të elektroneve, gjë që është ende larg të qenit e mjaftueshme për pajisjet praktike. Sidoqoftë, nga fundi i viteve 1990, stuhia intensive e ideve midis zhvilluesve dhe investimet e duhura financiare çuan në një zgjidhje të problemit: raporti i dëshiruar u rrit në 70%.

Për më tepër, nga mesi i viteve 2000, teknologjitë më të fundit që ofrojnë ndërfaqe planare me trashësi atomike midis shtresave metalike dhe okside bënë të mundur arritjen e vlerave TMR të rendit 400% - falë efektit të veçantë të tunelit koherent.

Rezultati ishte që grupet e memories MRAM të bazuara në magnetorezistencën e tunelit u vunë në prodhim dhe shitje para fundit të dekadës. Pra, në të ardhmen e afërt, ndërsa teknologjia bëhet më e lirë, MRAM do të bëjë të mundur prodhimin e kompjuterëve shtëpiake që mund të ndizen dhe fiken menjëherë. Për fat të mirë, gjendja e sistemit do të ruhet në memorie të shpejtë dhe jo të paqëndrueshme.

⇡ Injektorë dhe detektorë

Detajet në tregimin e mëparshëm për kujtesën spintronike ishin të nevojshme për këtë arsye. Pikat kryesore të kësaj historie - nga specifikat e teknologjisë deri te trajektorja e përgjithshme e transformimit të saj nga një mostër demo në një produkt të prodhuar në masë - janë shumë të ngjashme me rrugën e spintronicës drejt çipave gjysmëpërçues.

Ndoshta ndryshimi më i rëndësishëm është se efekti TMR bazohet në një numër të madh elektronesh që kanë gjendjen e dëshiruar të rrotullimit dhe e ruajnë atë gjatë kalimeve përmes ndërfaqeve midis metaleve ferromagnetike dhe oksideve metalike izoluese.

Epo, në mënyrë që pajisjet spintronike gjysmëpërçuese të bëhen të mundshme, është e nevojshme të arrihet në thelb e njëjta sjellje e elektroneve - por vetëm përmes ndërfaqeve të formuara midis gjysmëpërçuesit dhe materialit që vepron si një injektor rrotullues ose detektor rrotullues.

Meqenëse silikoni dhe arsenidi i galiumit janë dy gjysmëpërçuesit më të përdorur në industri, detyra kryesore zhvilluesit - për të gjetur materiale të polarizuara me spin (substanca në të cilat shumica e rrotullimeve të elektroneve janë të rreshtuara në një drejtim të caktuar) që mund të kombinohen në mënyrë efektive me to.

Historia e kërkimeve të gjata dhe të vështira për materiale të këtij lloji është ende larg të shkruarit. Sigurisht, këtu mund të flasim për disa qasje të ndryshme, me shkallë të ndryshme suksesi, përdoret në shumë laboratorë në mbarë botën për të zgjidhur këtë problem më të vështirë. Por ndoshta është më mirë ta anashkaloni këtë temë tani për tani.

Sepse nga fundi i dekadës së parë të shekullit të 21-të, rezultati i të gjitha kërkimeve mbi futjen e spintronikave në industrinë e mikroqarqeve dukej diçka e tillë. Pavarësisht shumë sukseseve lokale, në përgjithësi askush nuk ka mundur të gjejë materiale të përshtatshme (gjysmëpërçues ferromagnetik) që funksionojnë në temperaturën e dhomës dhe janë të përshtatshme për t'u përdorur në pajisjet praktike spintronik gjysmëpërçues...

Por, pavarësisht nga një rezultat kaq i mjerueshëm, kjo nuk do të thotë aspak se progresi ka ngecur dhe ndalur.

⇡ Komponimet Geisler

Një ngjarje jashtëzakonisht e rëndësishme për historinë e spintronicës ndodhi në verën e vitit 2010, kur zbulimi i fizikantëve nga Universiteti gjerman i Mainz u publikua përmes revistës Nature. Ky universitet ka pasur prej kohësh një reputacion si një nga qendrat kryesore botërore për kërkime në të ashtuquajturat komponime Heusler (më shumë për vetitë specifike të këtyre materialeve më vonë).

Falë zbulimit të ri të shkencëtarëve që zbuluan një gjendje shumë të veçantë kuantike të materies në përbërjet Heusler - të quajtur "izolues topologjik" - u hapën gjithashtu perspektiva të reja të mrekullueshme për zhvillimin e teknologjive spintronike. Dhe jo vetëm në fushën e pajisjeve të memories, por edhe për çipat gjysmëpërçues, dhe për bateritë e reja të energjisë dhe për shumë aplikacione të tjera tërheqëse.

Cilat janë këto materiale Geisler?

Para së gjithash, është e përshtatshme të theksohet se në përgjithësi mbiemri gjerman Heusler duhet të lexohet si Heusler. Megjithatë, sipas shekujve Tradita ruse Emrat dhe titujt e huaj shqiptohen sipas mënyrës tonë. Poeti i njohur në botë me emrin Heine tek ne quhet Heine. Ne e quajmë Hudson Bay Hudson. Për të njëjtën arsye, inxhinieri-shkencëtari Friedrich Heusler, i cili në fillim të viteve 1900 zbuloi vetitë e pazakonta të lidhjeve të metaleve të zakonshme, ende quhet zakonisht në Rusi në mënyrën e vjetër - Heusler.

Për shumë vite tani, materialet e Geisler kanë qenë në qendër të kërkimit shkencor për arsyen e mëposhtme. Duke qenë komponime kimike relativisht të thjeshta të tre elementeve bazë, komponimet Heusler mund të kenë një shumëllojshmëri të gjerë karakteristikash të ndryshme fizike.

Kështu, tipari specifik më i njohur i këtyre përbërjeve është se ato shfaqin karakteristika të ndryshme nga ato që pritet natyrshëm nga elementët që i përbëjnë ato. Përbërja e parë e Geisler, për shembull, u bë nga elementë jomagnetikë - bakri, mangani dhe alumini. Sidoqoftë, aliazhi i tyre Cu 2 MnAl sillet si një ferromagnet edhe në temperaturën e dhomës. Po kështu, kur tre metale kombinohen në ndonjë kombinim tjetër, rezultati mund të jetë një gjysmëpërçues.

Me pak më shumë detaje, komponimet Geisler janë materiale me shumë strukturën e përgjithshme përbërja, e shprehur me formulën X2YZ (ku X, Y janë metale kalimtare dhe Z janë elementë nga grupet III-V të tabelës periodike). Meqenëse secili prej elementeve X, Y, Z mund të zgjidhet nga afërsisht 10 kandidatë të ndryshëm, numri total të gjitha llojet e materialeve Heusler vlerësohen përafërsisht në shifrat e rendit 1000 (plus, ka të ashtuquajturat "gjysmë-Heusler", të përshkruar nga formula XYZ dhe gjithashtu që kanë një spektër veti interesante).

Për shkak të strukturës së pakomplikuar dhe fleksibël në thelb, vetitë e dëshiruara të përbërjeve Heusler mund të akordohen duke rregulluar përbërjen e tyre. Me fjalë të tjera, studiuesit kanë një klasë shumë të gjerë substancash që janë të lehta për t'u prodhuar dhe shpesh përbëhen nga përbërës relativisht të lirë të disponueshëm publikisht, por në të njëjtën kohë bëjnë të mundur marrjen e materialeve me veti shumë ekzotike ferromagnetike ose gjysmëpërçuese.

Falë kësaj, në veçanti, komponimet Heusler tani konsiderohen si një material shumë premtues për prodhimin e qelizave diellore dhe gjeneratorëve të tjerë termoelektrikë të aftë për të shndërruar drejtpërdrejt nxehtësinë në energji elektrike. Për shembull, pa lëvizur pjesët strukturore, gjeneroni energji elektrike nga proceset e gjenerimit të nxehtësisë kolaterale të makinerive dhe pajisjeve.

Kur, në mesin e viteve 2000, teoricienët e parë dhe së shpejti eksperimentuesit zbuluan një gjendje krejtësisht të re të materies në natyrë të quajtur izolues topologjik, atëherë pas ca kohësh u bë e qartë se edhe këtu, komponimet Heusler rezultojnë të jenë një material jashtëzakonisht i dobishëm. .

gjatë gjithë kohës vitet e fundit gjashtë-shtatë izolatorë topologjikë, ose shkurt TI, janë shumë temë e nxehtë kërkime në fushën e fizikës së gjendjes së ngurtë dhe shkencës së materialeve. Kryesor veti karakteristike TI konsiderohet të jetë fakti se, megjithëse këto materiale janë me të vërtetë izolues ose gjysmëpërçues, sipërfaqet e tyre sillen si një metal përçues - por metali është larg të qenit i zakonshëm. Ashtu si në superpërçuesit, elektronet në TI lëvizin përgjatë sipërfaqeve pa ndërvepruar me mjedisin e tyre - sepse ato janë në një gjendje kuantike të panjohur më parë të "mbrojtjes topologjike".

Në të njëjtën kohë, në kontrast të mprehtë me fizikën e superpërçuesve është një tjetër veti e TI. Në izolatorët topologjikë, nuk ka një, por dy rryma në sipërfaqe që nuk ndërveprojnë me njëra-tjetrën - një për secilin nga drejtimet e rrotullimit, të cilat rrjedhin në drejtime të kundërta.

Dhe ndoshta është e qartë se këto dy rryma të qëndrueshme rrotulluese, të cilat nuk preken nga defektet strukturore ose kontaminimi në material, duket se janë krijuar për t'u përdorur në spintronika (si dhe në aplikime të tjera të shkencës së informacionit kuantik - si kuantike kompjuterë).

Pra, vetëm nga këto konsiderata, mund të imagjinohet se sa i fuqishëm u shfaq interesi dhe, madje, mund të thuhet, eksitimi i dhunshëm në komunitetin shkencor kur u bë e qartë se të tilla veti të jashtëzakonshme Materialet Geisler, të cilat janë studiuar dhe zotëruar nga shkencëtarët për një kohë të gjatë, kanë TI.

Ka disa arsye për një eksitim të tillë.

Së pari, interesi për përbërjet Geisler shkaktohet nga aftësia e tyre për të shfaqur atë që ekspertët e quajnë një karakter "gjysmë metalik". Termi "karakter gjysmë metalik" i referohet faktit që një material i caktuar është i aftë të sigurojë njëkohësisht sjellje metalike për elektronet me një komponent spin (siç janë elektronet spin-up) dhe sjellje izoluese për një orientim tjetër rrotullimi (siç është spin-down ). Në të njëjtën kohë, materialet mund të demonstrojnë një nivel të polarizimit të rrotullimit prej 100%, gjë që i bën ata kandidatë idealë për polarizuesit e rrotullimit (injektorët) ose, anasjelltas, për detektorët e rrotullimit.

Së dyti, komponimet Geisler nuk janë vetëm një klasë shumë e madhe materialesh, duke numëruar mbi 1000 përfaqësues. Ai përmban - sipas llogaritjeve - mbi 50 komponime që kanë veçori të dallueshme të izolatorëve topologjikë.

Kjo gjithashtu pason "e treta": falë një diversiteti të tillë, tani bëhet e mundur jo vetëm të përzgjidhen ato të dëshiruara, por edhe të zhvillohen efekte fizike krejtësisht të reja. Është tashmë mjaft e qartë se meqenëse këto materiale përbëhen nga tre elementë, ato sigurisht që mund të ofrojnë një gamë të gjerë karakteristikash të tjera interesante përveç gjendjes kuantike të mbrojtjes topologjike të sipërfaqes.

Në veçanti, tani bëhet e mundur të kombinohen disa gjendje kuantike të pazakonta në një material menjëherë, kur, për shembull, superpërçueshmëria dhe një sipërfaqe topologjike ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Dhe kjo i hap rrugën karakteristikave krejtësisht të reja që ende nuk janë zbuluar eksperimentalisht, disa prej të cilave tashmë janë parashikuar teorikisht...

Së katërti, dhe së fundi, zhvillimi i komponimeve të reja Heusler nuk është aspak mënyra e vetme në këtë fushë për të gjeneruar vetitë e dëshiruara të një materiali. Një alternativë tjetër premtuese është modifikimi i materialeve tashmë të njohura, pasi edhe ato mund të strukturohen në përputhje me karakteristikat e dëshiruara. Për më tepër, një "rimodelim" i tillë mund të gjenerojë përfundimisht materiale që mund të konsiderohen të reja.

Një nga procedurat tipike për modifikimin e materialeve të zhvilluara mirë është implantimi i joneve. Në këtë operacion, një mostër e një materiali standard trajtohet me një rreze jonesh, të cilat prodhojnë ndryshime në rrjetën kristalore dhe mbeten të ngulitura në strukturën e materialit si aditivë. Pas kësaj, vetitë e reja të materialit janë rezultat i dy faktorëve njëherësh: ndryshimeve në strukturën e shkaktuar nga "bombardimi" dhe prania e atomeve të reja në strukturë.

Duke përmbledhur të gjitha këto zbulime të rëndësishme në lidhje veçanërisht me spintronikën, tashmë mund të themi me mjaft besim se komponimet Heisler janë të destinuara të luajnë një rol kyç këtu. Sepse është e qartë se këto materiale lejojnë një mënyrë krejtësisht të re për të kapërcyer pengesat e njohura që pengojnë kombinimin e ferromagneteve konvencionale me teknologjitë standarde industriale në industrinë e gjysmëpërçuesve.

⇡ Spintronics në 3D

Materialet Heusler, pa dyshim, janë një drejtim jashtëzakonisht premtues për përparim të mëtejshëm. Por për të mos krijuar përshtypjen e rreme se kjo është pothuajse e vetmja rrugë për zhvillimin e spintronics sot, do të ishte e dobishme të rishikohen të tjera zhvillime interesante. Si, të themi, spintronika e bazuar në materiale organike. Ose memoria spintronike e pistave (memoria magnetike e pistës hipodrom, MRM). Ose, së fundi, burimet spintronike të energjisë bazuar në kryqëzimet e tunelit magnetik.

Sidoqoftë, gjatësia e artikullit nuk është fleksibël, kështu që këtu, si përfundim i rishikimit, do të kufizohemi vetëm në një histori të shkurtër për një zhvillim tjetër të shquar dhe krejtësisht të ri. Është bërë nga shkencëtarët në Universitetin e Kembrixhit dhe kombinon dy nga fushat më premtuese në elektronikën moderne - spintronika dhe çipat 3D.

Ideja e modeleve me shumë shtresa, ose të grumbulluara, siç thonë ata, të çipave 3D ka qenë duke u zhvilluar për mjaft kohë, të paktën që nga vitet 1990. Thelbi i idesë është mjaft i thjeshtë. Nëse, në të njëjtën bazë silikoni si tani, mësojmë të bëjmë qarqe të integruara me rreth 100 shtresa, jo të sheshta, por vërtet tre-dimensionale - me shumë lidhje midis shtresave, atëherë ligji i Moore ka shumë të ngjarë të vazhdojë të funksionojë siç duhet. Të paktën edhe 15 vite të tjera.

Por një nga sfidat më të mëdha me të cilat përballen ende projektuesit e çipave 3D është se mbështetja në elektronikën tradicionale nuk mund të gjejë kurrë një mënyrë vërtet të mirë për të transferuar informacionin midis shtresave. Nëse mbështetemi në transistorët e qarkut konvencional në këtë çështje, atëherë për shkak të kësaj, konsumi i energjisë rritet ndjeshëm, dhe heqja e nxehtësisë në një dizajn të grumbulluar, përkundrazi, bëhet shumë më e ndërlikuar - pasi shumica e elementeve tani janë të fshehura në shtresat e brendshme të çipit.

Me fjalë të tjera, qasja tradicionale ndaj dizajnit të çipave 3D nuk është vetëm e ngathët dhe e shtrenjtë, por gjithashtu nuk arrin të mbajë shpërndarjen e nxehtësisë brenda një diapazoni të arsyeshëm. Dhe e gjithë kjo do të thotë se në dizajnin tredimensional të mikroqarqeve është shumë e dëshirueshme të mbështeteni në diçka tjetër për të transferuar informacionin midis shtresave.

Shkencëtarët në Laboratorin Cavendish në Kembrixh vendosën të përdorin spintronika për këtë. Kjo do të thotë, në një dizajn shumështresor të grumbulluar, tipik për çipat 3D, ata dolën me dhe zbatuan një mekanizëm gjenial të lidhjeve vertikale ndërshtresore që funksionon në bazë të rrotullimit kuantik të grimcave.

Ata e quajtën zhvillimin e tyre një "regjistër zhvendosjeje spintronike" dhe ky dizajn funksionon si një lloj mekanizmi kuantik rafte - ku pjesë të të dhënave dhe komandave të koduara në rrotullime shtyhen në mënyrë të njëanshme nga një shtresë në tjetrën me konsum minimal të energjisë dhe, në përputhje me rrethanat, praktikisht pa gjenerimi i nxehtësisë.

Ky "regjistër vertikal" zbatohet në formën e një strukture mjaft të zgjuar sanduiç me shumë shtresa, ku dy lloje të ndryshme shtresash metalike me trashësi vetëm disa atome janë vendosur në mënyrë alternative njëra mbi tjetrën. Vetitë e shtresave sanduiç zgjidhen në mënyrë që vendndodhja e bitit të informacionit të zhvendoset lart me "një qelizë regjistri" për çdo dy rrotullime në polaritetin e fushës magnetike.

Me fjalë të tjera, një domen i caktuar "spin-up" në shtresën (ose qelizën) magnetike 12, le të themi, pas ndërrimit të fushës magnetike dy herë, shfaqet në qelizë (shtresa magnetike) 13. Ky mekanizëm i domenit kërcen nëpër shtresa- katet e çipit është, në fakt, Ekziston një mënyrë themelore e funksionimit të regjistrit të ndërrimit në këtë dizajn.

Është e qartë se rruga nga demonstrimi laboratorik i pajisjes deri në prodhimin masiv të procesorëve spintronic 3D bazuar në të ka shumë të ngjarë të jetë shumë i gjatë. Por nuk ka dyshim se teknologjia e demonstruar është vërtet inovative, e bazuar në procedurat plotësisht standarde të prodhimit dhe për të zhvillimin e mëtejshëm(në për momentin) nuk ka pengesa themelore.

Për një teknologji fjalë për fjalë të porsalindur, kjo, duhet pranuar, është shumë.

Le të shqyrtojmë tani se çfarë ndodh në kontaktin e një ferromagneti me një gjysmëpërçues (Fig. 1.17). Meqenëse përqendrimi i bartësve të ngarkesës në një gjysmëpërçues është shumë më i ulët se në një metal feromagnetik, shumë më tepër elektrone shpërndahen nga ky i fundit në gjysmëpërçues. Ekuilibri dinamik vendoset vetëm kur në kontakt formohet një pengesë e rëndësishme potenciale - "pengesa Schottky" (Fig. 1.17,a). Për shkak të kësaj, në rajonin e gjysmëpërçuesit ngjitur me kontaktin, ka një përkulje të konsiderueshme të brezave (valenca, hendeku i brezit dhe brezat e përcjelljes).

Oriz. 1.17.

Kur në kontakt aplikohet një tension i vogël U("+" në gjysmëpërçues), ndryshime të vogla. Rryma elektrike nuk rrjedh nëpër barrierën Schottky derisa voltazhi të arrijë një vlerë afër lartësisë së pengesës. Pastaj bëhet e mundur që elektronet të kalojnë një tunel përmes një pengese të ngushtë (Fig. 1.17b).

Elektronet e polarizuara nga feromagneti hyjnë në gjysmëpërçues me energji shumë më të lartë se energjia termike. Elektrone të tilla "të nxehta" shpërndahen shumë intensivisht dhe shpejt humbasin orientimin e rrotullimeve të tyre. Prandaj injeksion Rryma elektrike e polarizuar nga rrotullimi nga një metal ferromagnetik në një gjysmëpërçues rezulton të jetë shumë joefikase.

Struktura “metal feromagnetik – kryqëzim tunel – gjysmëpërçues” doli të ishte më efektive në këtë drejtim (Fig. 1.17c). Përkulja e brezave në një gjysmëpërçues të ndarë nga metali nga një dielektrik është i parëndësishëm. Nëse trashësia e dielektrikut është shumë e vogël (~1 nm), atëherë tunelizimi fillon edhe në tensione të ulëta. Elektronet e injektuara të orientuara nga spin hyjnë në gjysmëpërçues jo aq "të nxehtë" si në rastin e barrierës Schottky. Dhe për këtë arsye koha e tyre e relaksimit të rrotullimit është shumë më e gjatë. Kjo është arsyeja pse, për shembull, në një transistor rrotullues me një bazë gjysmëpërçuese (Fig. 1.6), kryqëzimet e tunelit ultrafine (në Fig. 1.6, të bëra nga nitridi i silikonit) përdoren midis gjysmëpërçuesit dhe ferromagneteve.

Duke përdorur një kryqëzim tuneli ultra të hollë, në 2007, duke përdorur shembullin e një transistori rrotullues, struktura e të cilit është paraqitur në Fig. 1.18, u konstatua se Elektronet e polarizuara me spin të injektuara në silikon me pastërti të lartë mund të kenë një kohë mjaft të gjatë relaksimi të rrotullimit dhe të shpërndahen në distanca të konsiderueshme (në shkallën e nano-dhe madje edhe në mikrobotën) - deri në 350 μm

Në një meshë silikoni me pastërti të lartë ( Si(pl.)) me trashësi 350 mikron, sipër u vendos një shtresë metalizimi ( Al/Cu) Shtresë tuneli ultra e hollë me trashësi 10 nm Al 2 O 3, shtresa ferromagnetike (CoFe) 10 nm trashësi dhe metalizim alumini (Al). Kjo strukturë shërbeu si një emetues i elektroneve të polarizuara nga spin. Nga poshtë mbi meshë silikoni ( Si(pl.)) u depozituan shtresa feromagnetike (NiFe) dhe bakri (Cu) të dyja janë 4 nm të trasha. Mbi këtë të fundit u rrit një shtresë silikoni n-lloj (n-Si) dhe kontakti omik nga indiumi (Në).

Kur u aplikua tension në emetues U Nga një ferromagnet (CoFe) në silikon përmes një pengese tuneli tepër të hollë ( Al 2 O 3 dhe shtresë e hollë metalizimi (Al/Cu) U injektuan elektrone përcjellëse me rrotullime të orientuara në drejtim të magnetizimit të ferromagnetit. Nën tension U K1 aplikohet në shtresën kolektore të ferromagnetit (NiFe), këto elektrone lëvizin nëpër vaferën e silikonit. Koha e relaksimit të rrotullimit të tyre dhe gjatësia e difuzionit rezultuan të mjaftueshme që një pjesë e dukshme e tyre të kalonte te kolektori. Drejtimi i orientimit të rrotullimit mund të përcaktohet duke ndryshuar drejtimin e magnetizimit të ferromagnetit "të lirë". Në këtë rast, rryma e kolektorit u ul ndjeshëm. Shtresa e silikonit n-lloj (n-Si) përdoret për përforcim shtesë dhe matje më të saktë të sinjaleve.

Gjysem percjelles feromagnetike

Kryqëzimi i tunelit, ndërkohë që përmirëson kushtet për injektimin e rrymës së polarizuar nga spin në gjysmëpërçues, ende krijon një rritje të rezistenca elektrike dhe kërkon rritje të tensioneve të funksionimit. Prandaj, shkencëtarët i kushtuan vëmendje të veçantë një alternative të mundshme - përdorimit të feromagneteve gjysmëpërçuese dhe jo atyre metalike si burim i rrymës së polarizuar nga spin - të ashtuquajturat. gjysmëpërçuesit ferromagnetikë(FP). Në vitet 70 të shekullit XX. PT të tilla si kalkogjenidet e europiumit dhe spinelet si p.sh CdCr 2 Se 4 [Nagaev E.L. Fizika e gjysmëpërçuesve magnetikë. - M.: Shkencë. – 1979. – 431 f.]. Megjithatë, ata zbuluan veti feromagnetike vetëm në temperatura të ulëta.

Në dy dekadat e fundit të shekullit XX. u studiuan intensivisht nga të ashtuquajturit "gjysmëpërçuesit magnetikë të holluar"(RMP, gjysmëpërçues magnetik të holluar në anglisht, DMS). Këta janë gjysmëpërçues klasikë të këtij lloji A 2 B 6 dhe A 3 B 5, në masë të madhe, deri në tretshmërinë maksimale të mundshme, të dopuar me atome të metaleve kalimtare ("magnetike"), më shpesh mangan ( Mn– sepse ka tretshmërinë më të madhe). Ndërveprimi i shkëmbimit të elektroneve nga pjesërisht i mbushur d- Dhe f- predha e joneve magnetike me bartës të ngarkesës në brez të gjysmëpërçuesit kryesor ndryshon ndjeshëm vetitë e këtij të fundit dhe çon në shfaqjen jo vetëm të ferromagnetizmit, por edhe të shumë fenomeneve të reja që mund të jenë premtuese për aplikime praktike. Sidoqoftë, në shumicën e këtyre RMP-ve, temperatura e Curie doli të ishte nën temperaturën e dhomës (për shembull, në Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 K - në varësi të teknologjisë së prodhimit; në Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 80 K). Dhe vetëm për gjysmëpërçuesit me boshllëk të gjerë, temperatura Curie doli të ishte më e lartë se temperatura e dhomës (për Ga 1-x Mn x N, p.sh. TK = 400 K). U GaN, i dopuar me gadolinium (momenti magnetik i atomit të tij është i barabartë me 8 magnetone Bohr), filmat e hollë bëhen ferromagnetikë edhe kur ka një atom gadolinium për gati një milion jone galium dhe azoti. Më vonë doli se duke përdorur elementë shtesë aliazh ( Zn, C d, etj.), është e mundur të rritet ndjeshëm temperatura Curie e gjysmëpërçuesve me boshllëk të ngushtë (për shembull, bazuar në InSb-Mn: Zn, Cdështë e mundur të merret një seri e vazhdueshme RMP-sh me TK = 320-400 K).

NË dekadën e fundit Një gamë shumë më e gjerë e gjysmëpërçuesve magnetikë po sintetizohet dhe studiohet. Vetitë ferromagnetike në temperatura mbi temperaturën e dhomës janë zbuluar edhe në gjysmëpërçues të tillë klasikë si silikoni dhe germaniumi i dopuar me mangan ose atome të tjera "magnetike".

Nuk ka pengesa të rëndësishme në kontaktin e një gjysmëpërçuesi ferromagnetik me një gjysmëpërçues konvencional të të njëjtit lloj përçueshmërie(Fig. 1.19, a, b). Nëse PT dhe një gjysmëpërçues konvencional kanë lloje të ndryshme përçueshmërie, atëherë r-p- një tranzicion, kalimi i rrymës elektrike përmes së cilës është i mundur vetëm në një drejtim (Fig. 1.19, c, d). Në Fig. 1.19, përveç brezave të valencës (E B1 dhe E B2) dhe brezave të përcjelljes (E P1 dhe E P2), brezat tregohen gjithashtu në mënyrë konvencionale d- Dhe f- elektronet (E fd), të cilat zakonisht janë të pranishme edhe në gjysmëpërçuesit ferromagnetikë. Në varësi të pozicionit të tyre në raport me nivelin e Fermit (E Ф), ato mund të mbushen pjesërisht ose plotësisht. Edhe nëse ato janë të mbushura pjesërisht, përçueshmëria elektrike nëpër zona të tilla është e kufizuar, pasi elektronet f- dhe d kanë lëvizshmëri të ulët (masë e madhe efektive).

Injektimi i rrymës së polarizuar me spin në një gjysmëpërçues nga gjysmëpërçuesit ferromagnetikë doli të jetë shumë më efektiv sesa nga metalet ferromagnetikë, dhe shkalla e polarizimit të tij spin mund të jetë shumë më e lartë - deri në 100%..

Në dekadën e fundit, janë sintetizuar dhe studiuar në mënyrë aktive materiale nanokompozite gjysmëpërçuese ferromagnetike, të cilat përfshijnë struktura magnetike me dimensione të reduktuara - nanogrimca, nanotela ferromagnetike, filma ferromagnetikë ultra të hollë, të cilët janë plane kuantike. Temperaturat Curie për gjysmëpërçues të tillë nanokompozit mund të ndryshojnë ndjeshëm nga temperatura Curie e gjysmëpërçuesit "të pastër" përkatës

LED spintronic

Duke përdorur këto arritje, ishte e mundur të krijoheshin, për shembull, prototipa LED spintronik dhe rrotulloni bateritë.

LED spintronic bazuar në -tranzicionin në ndryshojnë në atë që rrezatimi i tyre është i polarizuar në mënyrë rrethore. Kjo për faktin se, ndryshe nga LED-të konvencionale, elektronet përçuese të polarizuara me spin ose "vrima" të polarizuara me spin injektohen në rajonin e heterobashkimit ku ndodh rikombinimi. NË AlGaAs(V GaAs dhe në gjysmëpërçuesit e tjerë të këtij grupi) kalimet optike lejohen gjatë rikombinimit të elektroneve që kanë spin +1/2 vetëm me vrima me spin –1/2, ose anasjelltas – elektronet që kanë spin –1/2 vetëm me vrima me spin + 1/2. Prandaj, fotonet që emetohen në këtë rast kanë një rrotullim ±1, d.m.th. janë të polarizuara djathtas ose majtas. Ky është një efekt thjesht kuantik. Dinamika e rrotullimit të vektorit elektrik në një valë të tillë drite të polarizuar rrethore është paraqitur në Fig. 1.20.

Kur përthithet në mënyrë rrethore dritë e polarizuar zbatohen të njëjtat rregulla përzgjedhjeje. Si rezultat i kësaj, atomet që thithin një foton të polarizuar rrethore kalojnë në gjendje me një magnet numër kuantik, që ndryshon me ±1 nga gjendja fillestare. Në një numër teknologjish të reja, për të cilat nuk flasim këtu, kjo veti e dritës së polarizuar rrethore përdoret për "magnetizimin optik" të grupeve të atomeve ose për "pompimin optik" të tyre - duke krijuar një popullsi të kundërt të gjendjeve të ngacmuara të atomeve. Në një substrat arsenid galiumi fq + (fq + -GaAs) shtresa të aplikuara në mënyrë të njëpasnjëshme GaAs:Be(20 nm), nanogrimca gjysmëpërçuese ferromagnetike MnAs rreth 3 nm në diametër, i shpërndarë në një matricë arsenide galiumi 10 nm të trashë, pengesë tuneli arsenid alumini ( AlAs), një shtresë e hollë arsenid galium ( GaAs, 1 nm) dhe shtresa feromagnetike MnAs 20 nm trashësi. Kontaktet prej ari formohen në krye të nënshtresës dhe shtresës MnAs.

Nëse nanogrimcat MnAs duke përdorur një fushë magnetike të jashtme, rimagnetizoni në drejtim drejtim të kundërt magnetizimi i shtresës së fortë magnetikisht MnAs(një ferromagnet me një magnetizim fiks), më pas për shkak të injektimit të elektroneve të polarizuara me spin prej tij përmes një kryqëzimi tuneli, lind një tension elektrik në terminalet e jashtme. Nëse e mbyllni të jashtmen qark elektrik, pastaj te nanogrimcat ferromagnetike MnAs do të "rrjedhin" elektronet, rrotullimet e të cilave janë të orientuara në drejtim të magnetizimit të ferromagnetit "fiks". Këto elektrone, duke u grumbulluar, çojnë në një riorientim gradual të nanogrimcave ferromagnetike. Nëse qarku i jashtëm hapet, rryma ndalon dhe së bashku me të, ndalon kthimi i magnetizimit të nanogrimcave ferromagnetike.

Mund të karikohet pa kontakt. Bateri të tilla mund të bëhen një burim efektiv i furnizimit me energji elektrike për qarqet spintronike dhe për mikropajisjet e implantuara në trupin e njeriut ose të kafshëve.

Spintronika është një drejtim i ri në mikroelektronikë, i bazuar në përdorimin e një karakteristike të tillë mekanike kuantike të elektroneve si spin. Pajisjet e krijuara mbi bazën e saj premtojnë të zgjidhin shumë probleme ekzistuese dhe të pritshme të mikroelektronikës tradicionale në të ardhmen e afërt: pavarësia e energjisë, konsumi i reduktuar i energjisë, rritja e densitetit të elementeve logjikë dhe shpejtësia e përpunimit të të dhënave. Pa ekzagjerim, gjysma e dytë e shekullit të 20-të mund të quhet epoka e mikroelektronikës. Gjatë këtyre 50 viteve, bota ka dëshmuar një revolucion teknologjik të mundësuar nga logjika dixhitale dhe teknologjitë e informacionit të bazuara në të. Sidoqoftë, në çdo pajisje, nga transistori i parë deri te mikroprocesorët modernë që mahnitin me aftësitë e tyre llogaritëse, mikroelektronika përdor kryesisht vetëm një veti të një elektroni - ngarkesën e tij. Në të njëjtën kohë, elektroni ka një karakteristikë tjetër, megjithëse thjesht kuantike-mekanike - momentin e tij këndor, ose rrotullimin (dhe momentin magnetik të lidhur), i cili deri vonë nuk kishte marrë vëmendje të veçantë nga zhvilluesit dhe studiuesit. Sot situata po ndryshon dhe një teknologji e re e quajtur "spintronics" (nga elektronika e transportit rrotullues ose elektronika e bazuar në rrotullim) po del në plan të parë. Le të kujtojmë se në një fushë magnetike të jashtme, momenti magnetik i elektronit, për shkak të rrotullimit, është i orientuar ose paralel me vektorin e induksionit magnetik (lart) ose antiparalel (poshtë). Pajisjet e bazuara në efektin e rrotullimit përdorin, në veçanti, ferromagnet. Prandaj, para se të kalojmë në një shqyrtim më të detajuar të tyre (pajisjeve), ne do të përshkruajmë shkurtimisht vetitë magnetike të këtyre materialeve.

Ferromagnetët janë substanca në të cilat fusha e tyre magnetike (e brendshme) mund të jetë qindra ose mijëra herë më e madhe se fusha magnetike e jashtme që e ka shkaktuar atë. Kjo shpjegohet me ekzistencën e të ashtuquajturit ndërveprim shkëmbimi që lidhet me mbivendosjen e funksioneve valore të elektroneve që i përkasin atomeve fqinje të rrjetës kristalore, si dhe momenteve magnetike të rrotullimit të pakompensuar. elektronet e valencës. Është ndërveprimi i shkëmbimit që bën që rrotullimet e elektroneve të orientohen paralelisht ose antiparalelisht, në varësi të asaj se cila gjendje është energjikisht më e favorshme. Në rastin e parë flasim për ferromagnetizëm, dhe në të dytën - për antiferromagnetizëm.

Në temperaturat nën të ashtuquajturën pikë Curie, ferromagneti ndahet në fusha të magnetizimit spontan. Në mungesë të një fushe magnetike të jashtme, drejtimet e vektorëve të magnetizimit të fushave të ndryshme janë arbitrare dhe magnetizimi që rezulton i të gjithë trupit mund të jetë i barabartë me zero. Në një fushë magnetike të jashtme, vektorët e magnetizimit janë të orientuar në një drejtim preferencial, duke krijuar një fushë magnetike të brendshme të fortë.

Struktura magnetike e një kristali antiferromagnet mund të konsiderohet si e përbërë nga dy nën-grilka të magnetizuara përballë njëra-tjetrës. Nëse momentet magnetike të nën-grilave janë numerikisht të barabarta, atëherë magnetizimi spontan nuk lind nëse jo, atëherë shfaqet (ferrimagnetizmi). Ferritet, për shembull, kanë veti të tilla. Në temperatura të ulëta, ndjeshmëria magnetike e antiferromagneteve është e papërfillshme, d.m.th., ato praktikisht nuk magnetizohen në një fushë magnetike të jashtme.

Pajisjet që përdorin efekte rrotullimi

Fillimi i elektronikës së re bazuar në efektet fizike të shkaktuara nga rrotullimi daton në vitin 1988, kur u zbulua fenomeni i Rezistencës Gjigante Magneto (GMR). GMR vërehet në materiale artificiale me shtresë të hollë të përbërë nga shtresa të alternuara feromagnetike dhe jomagnetike. Rezistenca e një përbërje të tillë është minimale kur fushat magnetike në shtresat ferromagnetike janë të drejtuara paralelisht dhe maksimale kur ato janë antiparalele.

Pajisjet që përdorin GMR bazohen në një të ashtuquajtur valvul rrotullimi, struktura e së cilës është paraqitur në Fig. 1. Përbëhet nga dy shtresa materiali ferromagnetik (lidhjet e nikelit, hekurit dhe kobaltit) të ndara nga një shtresë e hollë metali jomagnetik (zakonisht bakri). Në njërën nga shtresat ferromagnetike, fusha magnetike është "fikse", me fjalë të tjera, magnetizimi i kësaj shtrese është relativisht i pandjeshëm ndaj ndryshimeve në fushën magnetike të jashtme. Ky fiksim i fushës magnetike zakonisht kryhet duke përdorur një shtresë ngjitur fort të antiferromagnetit. Ndërfaqja që rezulton midis dy filmave parandalon një ndryshim në magnetizimin në ferromagnet. Shtresa tjetër ferromagnetike është "e lirë" - magnetizimi i saj mund të ndryshohet fushë e jashtme tension relativisht i ulët. Rezistenca e valvulës rrotulluese në fushat magnetike antiparalele në feromagnet është 5-10% më e lartë se në ato paralele.

Një lloj tjetër valvule rrotulluese mund të ndërtohet duke përdorur fenomenin e kryqëzimit të tunelit magnetik (MTJ). Valvola të tilla përbëhen nga shtresa magnetike fikse dhe të lira, të cilat ndahen nga një shtresë shumë e hollë izolatori, zakonisht oksid alumini (Fig. 2). Rezistenca këtu ndryshon me ndihmën e një fushe magnetike të jashtme në të njëjtën mënyrë si në rastin e mëparshëm. Me fushat magnetike antiparalele në ferromagnet, vlera e tij rritet me 20-40%.

Dukuritë në gjysmëpërçuesit janë përshkruar tradicionalisht nga një këndvështrim mekanik kuantik. Ka ardhur koha për teori e veçantë relativiteti, pasi në vitin 1990 dy shkencëtarë amerikanë, Supriyo Datta dhe Biswajit Das, shqyrtuan mundësinë e krijimit të një tranzitori me efekt në terren (spin FET) bazuar në efekt relativist. Në një transistor konvencional me efekt në terren, voltazhi i aplikuar në portë kontrollon sasinë e rrymës midis burimit dhe kullimit. Në një transistor relativist me efekt fushë, burimi dhe kullimi duhet të jenë feromagnet me rrotullime të elektroneve të orientuara paralele, të lidhura nga një kanal i ngushtë gjysmëpërçues (Fig. 3). Rrotullimet e elektroneve të injektuara në burim vendosen paralelisht me fushat magnetike të burimit dhe kullojnë. Kështu, një rrymë e polarizuar nga spin rrjedh nga burimi në kullues. Në këtë rast, elektronet duhet të lëvizin me një shpejtësi prej 1% të shpejtësisë së dritës në vakum. Sasia e rrymës kontrollohet nga voltazhi i aplikuar në portë. Truku është ky. Nëse kalojmë në një kornizë të palëvizshme referimi të lidhur me një elektron, atëherë, sipas teorisë speciale të relativitetit, në të shfaqet një fushë magnetike, forca e së cilës përcaktohet (në sistemin Gaussian të njësive) nga formula
,
ku është shpejtësia e lëvizjes së elektroneve, është forca e fushës elektrike e krijuar nga potenciali i aplikuar në portë, dhe kllapat katrore tregojnë produktin e vektorit. Me një forcë të mjaftueshme të fushës magnetike (pra, shpejtësia e lëvizjes së elektroneve brenda në këtë rast shumë domethënëse) rrotullimet e elektroneve ndryshojnë orientimin në të kundërtën. Si rezultat, rezistenca e kanalit rritet dhe rryma zvogëlohet.

Këto janë zhvillime premtuese dhe nëse i kthehemi efektit GMR, duhet theksuar se shtrirja e zbatimit të tij po zgjerohet. Përveç përdorimit në teknologjitë e leximit të diskut të ngurtë, valvulat rrotulluese GMR përdoren në izoluesit galvanikë dhe MRAM (RAM magneto-rezistente).

Izoluesi galvanik i bazuar në GMR kryen të njëjtin funksion si izolatori optoelektronik, duke siguruar shkëputjen e qarkut nga furnizimi me energji elektrike dhe autobusi tokësor. Elementet e tij kryesore janë një spirale e sheshtë dhe një sensor GMR i ndërtuar në një qark të integruar (Fig. 4). Për të transmetuar një sinjal nga një qark në tjetrin, rryma kalon përmes spirales. Fusha magnetike që krijon ndikon në sensorin GMR. Një izolues i tillë funksionon 10 herë më shpejt se ato optike moderne, dhe ky nuk është kufiri.

Në Fig. Figura 5 tregon një diagram të një qelize memorie magnetorezistente (Motorola) e bazuar në një kryqëzim tuneli magnetik. MRAM përdor histerezën për të ruajtur informacionin dhe GMR për të lexuar informacionin. Ajo funksionon në mënyrë të ngjashme me memorien statike gjysmëpërçuese (SRAM), por është tipar i rëndësishëmështë aftësia për të ruajtur të dhënat kur rryma është e fikur. Nëse një memorie e tillë përdoret në kompjuterë personalë, atëherë ata nuk do të kërkojnë një procedurë mjaft të gjatë të nisjes kur të ndizen.

Elementet kryesore të një qelize memorie MRAM janë linja e biteve pingule reciproke dhe linja e fjalës, midis të cilave ndodhet struktura MTJ. Gjatë funksionimit të shkrimit (Fig. 5a), një rrymë elektrike kalon nëpër autobusët, duke krijuar një fushë magnetike që ndryshon drejtimin e magnetizimit në një ferromagnet të lirë. Gjatë funksionimit të leximit (Fig. 5b), tranzistori shkëputës ndizet dhe rryma rrjedh nëpër strukturën MTJ. Ndryshimet e rezistencës së qelizave mund të interpretohen si binare 0 ose 1 . Kjo memorie punon 1000 herë më shpejt se EEPROM tradicionale dhe nuk ka kufi në numrin e cikleve të rishkrimit.

Udhëzime premtuese

E përbashkëta e të gjitha pajisjeve të përshkruara më sipër është se ato bazohen në metal. Një pengesë e rëndësishme e kësaj qasjeje është pamundësia për të përforcuar sinjalet. Analoge të dukshme metalike me transistorët gjysmëpërçues tradicionalë, në të cilët rrjedhja e elektroneve nga baza n-p-n transistori lejon dhjetëra të tjerë të rrjedhin nga emetuesi në kolektor, që mungojnë sot. Gjetja e materialeve që kanë si vetitë e ferromagnetit ashtu edhe të gjysmëpërçuesve ka qenë një ëndërr e kahershme e studiuesve. Por është e vështirë të arrihet: ndryshimi në strukturën dhe karakterin kristal është shumë i madh lidhjet kimike. Gjysmëpërçuesit feromagnetikë, nga njëra anë, do të ishin burime të elektroneve të polarizuara nga spin, dhe nga ana tjetër, do të integroheshin lehtësisht me pajisjet gjysmëpërçuese tradicionale. Një gjysmëpërçues ferromagnetik ideal duhet të ketë një pikë Curie (temperatura në të cilën një ferromagnet humbet vetitë e tij) mbi temperaturën e dhomës dhe të lejojë krijimin e zonave me n- Dhe fq-përçueshmëri në një kristal të vetëm. Sot vëmendje e madhe tërheqin të ashtuquajturit gjysmëpërçues magnetikë të holluar, lidhje në të cilat disa atome zëvendësohen rastësisht nga atome me veti magnetike, p.sh. Mn 2+. Ka parashikime teorike që për disa klasa të materialeve të tilla pika e Curie do të jetë mbi temperaturën e dhomës.

Përkundër faktit se kërkimet mbi spintronikat po kryhen në shumë vende, rezultatet praktike janë ende shumë larg. Është e nevojshme të studiohen tiparet e transferimit të elektroneve të polarizuara me spin në materiale të ndryshme dhe nëpër ndërfaqe, si dhe të mësohen se si t'i gjenerojnë ato në sasi të mëdha.

Spintronicsështë një term i vendosur, por ka interpretime të ndryshme: elektronika e transportit spin, elektronika e bazuar në spin, ose thjesht spin-elektronikë.

Spintronics kombinon fushat e kërkimit dhe zhvillimit të pajisjeve dhe pajisjeve nanoelektronike bazuar në efektet dhe fenomenet e transferimit të rrotullimit si bartës të një sinjali informacioni. Jo vetëm elektronet kanë një rrotullim magnetik, por edhe disa të tjerë. grimcat elementare, si dhe bërthamat e disa atomeve. Në spintronika, ndërveprimet magnetike dhe magnetoptike në strukturat gjysmëpërçuese, dinamika dhe vetitë koherente të rrotullimeve në lëndën e kondensuar, si dhe kuantike dukuritë magnetike në strukturat me madhësi nanometër. Së bashku me magnetët e njohur më parë, ndërsa spintronika u zhvillua, u shfaqën të reja - gjysmëpërçues magnetikë - substanca që mund të jenë njëkohësisht magnet, gjysmëpërçues dhe media optike. Struktura e brezit të një gjysmëpërçuesi magnetik ndryshon nga struktura me dy breza të gjysmëpërçuesve konvencionale, metaleve dhe dielektrikëve nga prania e një brezi të tretë të veçantë, i cili formohet nga elektronikë. d- Dhe f- predha të atomeve të tranzicionit ose elementëve të tokës së rrallë. Teknikat eksperimentale të spintronicës përfshijnë spektroskopinë magneto-optike me rezolucion kohor të lartë (femtosekonda), magnetometrinë mikromekanike, mikroskopin e skanimit të forcës atomike dhe magnetike me rezolucion nënatomik, mikroskopin optik të skanimit të fushës së afërt, spektroskopinë e rezonancës magnetike bërthamore (NMR, lithografike), etj. dhe teknologjitë molekulare Cluster bëjnë të mundur krijimin e nanostrukturave të ndryshme me vetitë magnetike të nevojshme për spintronikën. Nëse në mikro- dhe nanoelektronikën konvencionale në gjendje të ngurtë informacioni përfaqësohet duke përdorur ngarkesë elektrike, pastaj spintronika përdor paraqitjen e informacionit duke përdorur momentin magnetik të grimcave kuantike.

Një nga fenomenet e spintronicës, i quajtur rezistencë gjigante magnetike (GMR), u përdor në kokat magnetike të disqeve të ngurtë. Si rezultat, kapaciteti i diskut është rritur njëqindfish në pesë vjet. Rëndësia strategjike dhe ekonomike e zhvillimeve në fushën e spintronicës është e dukshme. Në pajisjet spintronic, kthimi i rrotullimit nuk kërkon pothuajse asnjë shpenzim energjie, dhe ndërmjet operacioneve pajisja shkëputet nga burimi i energjisë. Nëse ndryshoni drejtimin e rrotullimit, energjia kinetike e elektronit nuk ndryshon. Kjo do të thotë se pothuajse nuk gjenerohet nxehtësi. Shpejtësia e ndryshimit të pozicionit të rrotullimit është shumë e lartë. Eksperimentet kanë treguar se rrotullimi i rrotullimit ndodh në disa pikosekonda (triliontat e sekondës).

Në kristalet e renditura magnetikisht, rrotullimet ndërveprojnë me njëri-tjetrin në dy mënyra: ky është ose ndërveprimi i zakonshëm magnetik dipol-dipol, ose një ndërveprim shkëmbimi. Dy lloje të ndërveprimit shkaktojnë dy lloje të forcave elastike në një dielektrik magnetik - forca magnetike dhe shkëmbimi. Të parat janë me rreze të gjatë. Shumë nyje të rrjetës kristalore marrin pjesë në bashkëveprim menjëherë dhe shpesh quhet kolektiv.

Në renditje me rreze të shkurtër, ndërveprimi i shkëmbimit zhvillohet midis atomeve fqinje. Forcat e shkëmbimit janë me rreze të shkurtër dhe përshkruajnë mirë shqetësimet e valëve të shkurtra të vendeve të rrjetës kristalore. Në këtë rast, zhvendosjet e nyjeve fqinje të rrjetës kristalore janë mjaft të mëdha dhe forcat e shkëmbimit dalin në plan të parë.

Kështu, shqetësimet me valë të gjata shkaktojnë forca magnetike ose elasticitet magnetik, dhe shqetësimet e valëve të shkurtra shkaktojnë forca shkëmbimi ose elasticitet shkëmbimi.

Prania e dy llojeve të shqetësimeve krijon mundësinë e gjenerimit dhe përhapjes së dy llojeve të valëve - spin magnetostatic dhe spin shkëmbimi.

Valët e llojit të parë quhen magnetostatike, e dyta - rrotullim. Ndarja e valëve spin në dy lloje është shumë arbitrare dhe është e nevojshme të merret parasysh njëkohësisht kontributi i të dy llojeve të ndërveprimeve (Fig. 5.11).

Siç u përmend, ekzistojnë disa lloje valësh. Nëse gjatësia e valës l është dukshëm më e madhe se dimensionet e rrjetës kristalore (l >> A), atëherë valët e ngadalta mund të përhapen në struktura të renditura magnetikisht. Ato shkaktohen nga ndërveprimi dipol-dipol me rreze të gjatë. Valët e këtij lloji quhen magnetostatike (MSV). Këto valë janë të afta të transferojnë energji si rezultat i ndërveprimit dipol-dipol.

Fig.5 11. Skema e formimit të valës spin

Nëse gjatësia e valës së shqetësimit (l ³ A), atëherë valët e tilla shkaktohen nga ndërveprimi i shkëmbimit dhe quhen valë të këtij lloji valët rrotulluese (SV). Energjia në këtë lloj valësh transferohet për shkak të shkëmbimit. Ekzistojnë valë të shkëmbimit të dipoleve për të cilat mekanizmat e transferimit të dipolit dhe shkëmbimit janë po aq të rëndësishëm.

Pra, një valë rrotulluese është një valë e prishjes së rendit magnetik ose një ngacmimi elementar.

Kuazigrimcat që korrespondojnë me një valë rrotulluese quhen magnone. Magnonët, si të gjitha kuazigrimcat, kanë energji E = ћw, kuazi-impuls r = ћk dhe momenti magnetik m.

Në rastin më të thjeshtë, momenti magnetik i magnonit është i barabartë me momentin magnetik të atomit dhe drejtohet kundër magnetizimit të ekuilibrit.

Me interes praktik është valë dipole magnetike sipërfaqësore ose valë magnetostatike sipërfaqësore (PMSV). Shpejtësia e grupit të saj përkon në shenjë me shpejtësinë e fazës, energjia dhe faza e tyre lëvizin në të njëjtin drejtim. Për një film granati me hekur ittriumi (YIG), frekuenca e lëkundjes është rreth 10 GHz me shpejtësinë e përhapjes v= 4 - 10 6 cm/s.

Vetitë unike të valëve magnetostatike përdoren gjerësisht në elementë dhe pajisje në diapazonin e gjatësisë së valës së mikrovalëve. Më e përhapura mori linja vonese në valët magnetostatike.

Linjat e vonesës janë pajisje për vonimin e përkohshëm të sinjaleve elektrike me shtrembërime të vogla në formën e tyre.

Teorikisht, linjat e vonesës mund të zhvillohen në një brez të gjerë frekuence me ligje të ndryshme të ndryshimit të kohës së vonesës, për shembull, vonesa konstante, vonesa lineare, etj.

Një nga modelet e linjave të vonesës së sinjalit të mikrovalës është paraqitur në Fig. 5.12. Linja e vonesës është montuar në një substrat oksid alumini (safir artificial, zmeril). Ekrani i kontrollit është gjithashtu baza e linjës emocionuese të mikrostripeve. Sinjalet hyrëse dhe dalëse të mikrovalës kalojnë përmes valëve koplanare, të cilat formohen në ekran me gravurë. Një substrat xhami me një trashësi prej rreth 20 mikron aplikohet në ekranin e kontrollit. Mikroshirita u vendosën në një substrat xhami dhe u lidhën me përcjellës të linjës koplanare. Mikroshiritat e hyrjes dhe të daljes janë bërë mjaft të ngushta (deri në 50 µm) për të siguruar gjerësinë e kërkuar të brezit të ngacmimit.

Oriz. 5.12 Struktura e linjës së vonesës në filmin YIG:

1 – Substrati GGG; 2 - film YIG; 3 - mikrostrip

linjë; 4 – ekran kontrolli (argjendi - ari);

5 – substrati i oksidit të aluminit; 6 – dalje e linjës koplanare; 7 - hyrje në linjë koplanare

Më vete, një film i granatës së hekurit të ittriumit (Y 3 Fe 5 O 12) përgatitet mbi një substrat të granatës gadolinium galium (GGG) (Gd 3 Ga 5 O 12). Ky kombinim bën të mundur marrjen e filmave shkallë të lartë përmirësim strukturor, humbje të vogla në frekuencat e mikrovalëve. Një sanduiç i tillë YIG-YGG vendoset në majë të një nënshtrese xhami.

Kështu, linja e vonesës së formuar në MSW sipërfaqësore funksionon në një gamë të rendit të 10 GHz, me një gjerësi brezi prej 200 MHz, një vonesë në brezin e rendit prej 100 ns/cm me një humbje të futjes së rendit 10 dB. .

Një nga fushat që lidhet me zhvillimin e linjave të vonesës së sintonizueshme pa dispersion në MCB në një brez të gjerë frekuencash është përdorimi i qarqeve kaskadë. Këto janë dy LP të sintonizueshme në mënyrë lineare të lidhura në seri me karakteristika plotësuese. Për këtë qëllim përdoren LP në sipërfaqe ose MSW volumetrike të drejtpërdrejta me dispersion normal ose LP në MSW volumetrike të kundërt me dispersion anormal.

Modele të tilla lejojnë që vonesa totale e sinjalit të modulohet brenda kufijve të caktuar aplikim interesant Valët magnetostatike u gjetën në filtrat e sinjalit të mikrovalëve. Filtra të tillë kanë një kufi të sipërm të frekuencës në rajonin mbi 50 - 60 GHz dhe funksionojnë në kohë reale. Filtrat MSW mund të sintonizohen lehtësisht në të gjithë gamën spektrale për shkak të ndryshimeve në fushën magnetike të jashtme.

Linjat efektive të transmetimit, shtypësit e zhurmës, strukturat me valë të ngadalta dhe pajisje të tjera mikrovalore janë zhvilluar duke përdorur valë magnetostatike.

Në fushën e nanoelektronikës, ka shumë ide për përdorimin e rrotullimeve të elektroneve si bartës të një sinjali informacioni në instrumente dhe pajisje për përpunimin dhe ruajtjen e informacionit.

Propozohet një dizajn tranzistor që i ngjan dizajnit të një transistori MOS. Një pajisje elektronike spin duhet të përmbajë tre elementë kryesorë:

Gjenerator - një burim për injektimin e elektroneve të polarizuara me spin, rrotullimet e të cilave janë të rreshtuara në drejtimin e duhur;

Një pajisje për kontrollin e rrjedhës së rrotullimit në një gjysmëpërçues, siç është një fushë elektrike për të lëvizur elektronet;

Detektori është një kullues për matjen e rrymës së rrotullimit që rezulton.

Një ferromagnet përdoret si burim, i cili injekton një rrjedhë elektronesh me 100% polarizim spin në kanalin e tranzistorit. Drenimi është një filtër rrotullues që lejon të kalojnë vetëm elektronet me polarizimin e duhur të rrotullimit. Ndërveprimi spin-orbitë brenda kanalit kontrollohet nga voltazhi i portës dhe prodhon rrotullim rrotullimi. Kur rrotullohen 180°, elektronet nuk kalojnë më në kullues, në rrymë e barabartë me zero. Kjo është gjendja e mbyllur e tranzistorit. Potenciali i portës krijon një fushë elektrike pingule në kanal, e cila shkakton anizotropi në lëvizjen e elektroneve në lidhje me këtë drejtim.

Duhet të theksohet se një transistor spin me efekt në terren funksionon në parime krejtësisht të ndryshme nga një transistor konvencional me efekt në terren. Tranzistori i rrotullimit do të ketë një tension të ulët kontrolli, konsum të ulët të energjisë dhe shpejtësi të lartë. Nevojitet një kërkim për zgjidhje kompromisi sepse ulja e tensionit të portës çon në një rritje të gjatësisë së kanalit për rrotullim efektiv të rrotullimit.

Kjo zvogëlon performancën dhe e bën rrymën në gjendje të mbyllur në mënyrë të papranueshme për shkak të proceseve të relaksimit të rrotullimit. Përfundimi është ky: derisa strukturat në të cilat të zhvillohen ndërveprim shumë më të fortë spin-orbitë, transistori i efektit të fushës së rrotullimit do të jetë inferior ndaj atij të silikonit. Duhet shtuar se nuk ekziston ende një injeksion ideal i rrymës rrotulluese 100% dhe, në përputhje me rrethanat, një filtër 100%. Por ky është fillimi i punës. Le të kujtojmë se sa i ngathët dukej transistori i parë - nuk mund të krahasohet me mrekullinë aktuale të përparimit.

Filloi prodhimi masiv modulet e memories spintronic MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory - memorie magnetorezistuese me akses të rastësishëm). Dallimi kryesor midis moduleve të tilla është se informacioni i regjistruar nuk humbet kur energjia është e fikur, pasi elektronet janë në gjendje të ruajnë pozicionin e tyre të rrotullimit për aq kohë sa dëshirojnë. MRAM tashmë ka gjetur aplikim në telefonat celularë, kompjuterët celularë dhe kartat e identifikimit. Përveç kësaj, ushtria përdor kujtesën e re për të kontrolluar raketat luftarake dhe për të monitoruar stacionet hapësinore. Sensorët e rrotullimit këndor, pozicioni dhe shpejtësie me precizion të lartë përdoren gjerësisht në komponentët dhe mekanizmat e automobilave, për shembull, në sistemin e frenimit kundër bllokimit, i njohur për drejtuesit si ABS (Sistemi kundër frenimit), falë të cilit makina mban vijën e drejtë. lëvizje gjatë frenimit në sipërfaqe të rrëshqitshme të rrugës. Pajisjet moderne kompjuterike, televizioni dhe video nuk mund të imagjinohen pa pajisjet spintronic. Përveç disqeve të ngurtë, përparimet në spintronika mund të gjenden në videoregjistruesit personalë (akordues për kapjen e sinjaleve video nga pajisjet analoge), pajisjet e televizionit me definicion të lartë (HDTV) dhe disqet DVD me incizim me ndërhyrje në terren (NFR).

Puna në fushën e spintronicës dhe krijimi i pajisjeve të bazuara në efektet e transferimit të rrotullimit sapo ka filluar. Ata pritet të kenë një avantazh ndaj pajisje të njohura në transferimin e ngarkesës sipas parametrave të tillë si madhësia, shpejtësia, shpërndarja e energjisë. Rrotullimet e elektroneve të lokalizuara në pika kuantike mund të përdoren si bartës të sinjalit të informacionit për pajisjet kompjuterike të gjeneratës së re.

Në vitet e ardhshme, spintronika do të zhvillohet në tre drejtime kryesore: kompjuter kuantik, transistor me efekt në terren dhe memorie rrotulluese. Është mjaft e mundur që në 10 - 15 vjet zonë e re shkenca - spintronika do të jetë po aq e rëndësishme sa është elektronika sot.