Drejtime premtuese për zhvillimin e spintronics

Rrotulloni sensorët elektronikë të pozicionimit dhe lëvizjes. Sensorët GMR, të përdorura për të zbuluar madhësinë dhe drejtimin e një fushe magnetike, kanë gjetur aplikim të gjerë në fushat e mëposhtme: ruajtja dhe leximi i informacionit, grupet e portave të programueshme, avionika, kontrolli i makinerive elektronike dhe sistemet e sigurisë aktive të automobilave. Për shembull, tregu global i sensorëve të automobilave, me rritje vjetore prej më shumë se 10%, është një nga më të shpejtë në rritje, duke arritur aktualisht 8.5 miliardë euro. Në vitet e fundit, tendencat kryesore në zhvillimin e industrisë globale të automobilave kanë qenë përmirësimi i kontrollit të motorit me djegie të brendshme (për të reduktuar emetimet e automjeteve), sistemet e frenimit dhe kundër rrëshqitjes, pajisjet e sigurisë, etj. Ndërsa këto teknologji përparojnë me shpejtësi, përmirësimet në sensorët magnetikë të rrotullimit janë në krye: rritja e ndjeshmërisë, qëndrueshmërisë, besueshmërisë dhe shtypjes së zhurmës.

Diodë rrotulluese. Ideja e një diode me dy terminale rrotulluese u propozua për herë të parë nga Mathews. Dioda përbëhet nga një sistem magnetik me pesë shtresa, në të cilin tre shtresa ferromagnetike janë të ndara nga shtresa paramagnetike. Një nga përpjekjet më të suksesshme në zbatimin praktik të një diode rrotulluese u krye në vitin 2004. Në të ardhmen, është planifikuar të përdoren diodat spin si qeliza elementare të memories MRAM.

Spintronika kuantike koherente. Në terma afatgjatë është spintronika koherente kuantike. Kjo i referohet pajisjeve, dimensionet e të cilave janë aq të vogla saqë koherenca kuantike e funksionit të valës së elektronit ruhet në të gjithë pajisjen, duke bashkuar sinjalet elektrike hyrëse dhe dalëse. Nanoteknologjia ka arritur një nivel të tillë që sot është e mundur të krijohen pajisje në shkallën 1 nm. Një shembull tipik është një diodë tuneli (Aplikimi për Patent Nr. FR9904227, Francë).

Llogaritja kuantike. Studiuesit parashikojnë përdorim të gjerë të zhvillimeve spintronika në fushën e llogaritjes kuantike. Besohet se faza tjetër serioze në zhvillimin e spintronicës do të jenë pajisjet në të cilat informacioni do të transmetohet jo përmes rrotullimeve të elektroneve, por duke përdorur çifte komplekse kubit. Për shembull, pajisjet rrotulluese me shumë pin, të cilat mund të bazohen në rrjedhat e kubitëve të ngatërruar. Në praktikë, një pajisje e tillë mund të zbatohet në bazë të transistorëve spin-elektronikë.

Potenciali i spintronics nuk është i kufizuar në teknologjitë tashmë të zhvilluara dhe të zotëruara të përshkruara më sipër. Pavarësisht se puna në këtë drejtim ka më shumë se dy dekada, ka shumë probleme të pazgjidhura shkencore dhe teknike. Për shembull, një fushë magnetike përdoret tani për të ndryshuar magnetizimin e një seksioni të një ferromagneti. Meqenëse mund të krijojmë një fushë magnetike vetëm me ndihmën e rrymës elektrike (magnetet e përhershme nuk llogariten), lind problemi i lokalizimit të kësaj fushe magnetike në një zonë të kufizuar të hapësirës. Sa më e vogël të jetë kjo zonë, aq më e lartë mund të merret dendësia e ruajtjes së informacionit në një medium magnetik (natyrisht, ka ende pyetje në lidhje me zgjedhjen e materialeve të përshtatshme magnetike). Në laboratorët e fizikës së gjendjes së ngurtë (Zyrich) dhe Universitetin e Stanfordit, u krye një eksperiment që tregon mundësinë e ndryshimit të magnetizimit të një materiali duke përdorur një rrjedhë elektronesh me një spin të caktuar (elektrone të tilla thuhet se janë të polarizuara me spin). Duke përdorur fotoemetimin nga një katodë gjysmëpërçuese e shkaktuar nga drita e polarizuar, u përftua një rreze elektronesh të polarizuara me spin. Kjo rreze kaloi përmes një filmi magnetik disa nanometra të trashë. Kur elektronet fluturojnë nëpër film, rrotullimi i elektroneve ndryshon (ky fenomen quhet precesioni ). Meqenëse asgjë në natyrë nuk kalon pa gjurmë, rrotullimet e elektroneve në filmin magnetik gjithashtu ndryshojnë, që do të thotë një ndryshim në magnetizimin e substancës. Nëse numri i elektroneve të kaluar është i krahasueshëm me numrin e atomeve të substancës, atëherë ndryshimi në magnetizimin e filmit do të jetë shumë i dukshëm. Efekti mund të përdoret si për regjistrimin e informacionit ashtu edhe për leximin e tij (në një intensitet më të ulët të rrezes elektronike). Potencialisht, kjo teknologji mund të sigurojë shpejtësi të kthimit të magnetizimit (d.m.th., në fakt leximin dhe shkrimin e informacionit) deri në dhjetëra gigahertz, por para kësaj, studiuesit do të duhet të kalojnë

ende një rrugë shumë e gjatë për të bërë.

Një tjetër efekt interesant është prodhimi i një rryme të pastër elektroni spin pa transferim të ngarkesës. Në eksperiment, u formuan dy rrjedha kundër elektroneve me spin të drejtuar në të kundërt. Ky efekt mahnitës u arrit duke përdorur dy lazer të polarizuar pulsues, frekuenca e njërit prej të cilëve është sa gjysma e tjetrit. Kështu, transferimi i ngarkesës së rrotullimit është arritur pa praninë e një ndryshimi potencial. Deri më tani ky fenomen është vërejtur në distanca të rendit disa dhjetëra nanometra, por kërkimet e mëtejshme në këtë drejtim vazhdojnë.

Një nga problemet me spintronikën lidhet me materialet e përdorura. Fakti është se spintronika kërkon ferromagnete, vetitë magnetike të të cilave shkaktojnë efekte të ndryshme që përfshijnë rrotullimet e elektroneve. Por feromagnetët janë metale, dhe elektronika moderne bazohet në gjysmëpërçues. Janë vetitë e gjysmëpërçuesve që bëjnë të mundur rritjen e rrymës elektrike në transistorë - ky efekt është i pamundur në metale. Prandaj, për të krijuar një pajisje efikase që përdor si spinin ashtu edhe ngarkesën e elektronit, është e nevojshme ferromagnet, i cili është një gjysmëpërçues . Një gjysmëpërçues i ri është krijuar në Laboratorin Kombëtar të Paqësorit Veriperëndimor (SHBA) që nuk i humbet vetitë e tij magnetike as në temperaturën e dhomës. Kjo substancë është oksid titani me përzierje kobalti dhe rritet në formën e filmave nanometër me epitaksi molekulare. Në një vakum të thellë, rrezet e atomeve në raportin e kërkuar drejtohen në sipërfaqen kristalore, ku formojnë strukturën e nevojshme kristalore.

Një material tjetër i ngjashëm është filmi epitaksial i bërë nga shtresa të alternuara të përbërjeve të galiumit: GaSb, GaMn. Vetitë magnetike të këtij gjysmëpërçuesi ruhen deri në 130°C, e cila është e mjaftueshme për nevojat e teknologjisë moderne.

Një drejtim tjetër premtues është përdorimi i përbërjeve organike . Në Universitetin e Kalifornisë (Riverside), ata sintetizuan një përbërje që ndryshon vetitë e saj optike, elektrike dhe magnetike njëkohësisht, në varësi të temperaturës. Në një temperaturë prej rreth 62°C, substanca shndërrohet nga një izolues paramagnetik transparent (në spektrin infra të kuq) në një përcjellës diamagnetik të errët. Karakteristikat e tilla unike e bëjnë atë tërheqës jo vetëm për spintronikën, por edhe për fusha të tjera premtuese, për shembull, fotonikën. Vërtetë, temperatura e funksionimit të tranzicionit është disi e lartë për përdorim, por shkencëtarët shpresojnë ta reduktojnë atë duke ndryshuar përbërjen e substancës.

Studuar në Universitetin Shtetëror të Ohajos plastike - tetracianoetanid vanadium . Pavarësisht nga natyra e tij organike, ai gjithashtu ka veti magnetike që vazhdojnë deri në 130°C. Përveç kësaj, plastika është shumë më e avancuar teknologjikisht se materialet e tjera, gjë që do të lejojë krijimin e memories plastike të lirë në të ardhmen.

Nanokompozitët në formën e telave metalikë në polikarbonat ose oksid alumini. Filmi polikarbonat është i ekspozuar ndaj grimcave të rënda, të ngarkuara me energji të lartë në një reaktor bërthamor. Duke kaluar nëpër polikarbonat, grimcat e ngarkuara lënë gjurmë me një strukturë të ndërprerë (d.m.th., të ndryshme, të ndryshme nga pjesa tjetër e grupit). Më pas këto gjurmë gërmohen në një tretësirë ​​të përqendruar alkali dhe kështu formohen poret e njëtrajtshme nëpër cilindrik. Dendësia e poreve përcaktohet nga kohëzgjatja e kohës që membrana qëndron në reaktor. Membranat prodhohen me dendësi standarde të poreve prej 10 6, 10 8, 6. 10 8, 10 9 dhe 10 10 pore/cm2. Diametri i poreve mund të merret në një gamë të gjerë nga 10 deri në 300 nm, në varësi të kohës së rrezatimit të filmit, temperaturës dhe përqendrimit të tretësirës, ​​si dhe kohës së gdhendjes. Trashësia e membranave mund të variojë nga njësitë në qindra mikronë, diametri zakonisht është 13 mm. Membranat e aluminit të anodizuar mund të përdoren gjithashtu për elektrodepozitimin e nanotelave. Prodhimi i një strukture në formën e nanotelave shumështresore dhe të grimcuara kryhet ekskluzivisht me metodën e depozitimit elektrolitik në poret e membranës (Fig.) nga një elektrolit i vetëm në të dy mënyrat e impulsit potenciostatik dhe galvanostatik. Para depozitimit elektronik, një shtresë ari ~ 0.01 μm depozitohet në pore për të siguruar kontakt elektrik në njërën anë të membranës (Fig.).

Oriz. Ilustrime skematike të membranës polikarbonate dhe nanotelës individuale me shumë shtresa (majtas). Gjeometria e aplikimit të një nënshtrese ari në një membranë (djathtas).

Ndryshe nga elektrodepozicioni planar, ku e gjithë sipërfaqja e katodës është e ekspozuar ndaj elektrolitit, në elektrodepozimin me nanotel vetëm një pjesë e sipërfaqes së membranës, e quajtur zona e depozitimit aktiv ose e vërtetë, i ekspozohet elektrolitit. Mund të llogaritet duke ditur numrin e poreve në të gjithë zonën e membranës dhe sipërfaqen e një pore:

Oriz. Kurba tipike e rrymës së rritjes së nanotelave

Një rritje e rrymës pas pikës B tregon fillimin e shfaqjes së filmit mbi poret. Kjo korrespondon me një trashësi nominale prej rreth 3.8 µm. Pas kësaj, telat fillojnë të bashkohen në sipërfaqe, dhe kapakët hemisferikë shfaqen mbi tela. Trashësia e shtresës së bakrit është afërsisht 30 nm, dhe trashësia e lidhjes Co-Ni është 40 nm.

Oriz. Diagrami i instalimit për matjet magnetorezistente (magnetorezistencë gjigante)

Për të kryer matjet magnetorezistuese, kërkohet prania e një kontakti të sipërm përçues. Kjo arrihet duke depozituar një pjesë të materialit në majë të membranës. Pas mbushjes së poreve, substanca e depozituar fillon të rritet në formën e tasave gjysmësferikë, të cilët më pas bashkohen me njëri-tjetrin (Fig.)

Në rastin kur fusha është paralele me boshtin e nanotelave, sythet e tyre të histerezës janë karakteristikë e kthimit të magnetizimit përgjatë boshtit të lehtë të magnetizimit. Nëse fusha e jashtme është pingul me boshtin e telit, atëherë në këtë rast kërkohen fusha shumë më të mëdha për të rrotulluar të gjitha momentet në këtë drejtim, dhe rezultati është një lak karakteristik i magnetizimit përgjatë një boshti të vështirë.

Struktura, vetitë magnetike dhe magnetorezistente të nanotelave të valvulave rrotulluese. Ndër nanomaterialet magnetike, strukturat shumështresore (ose shumështresore) zënë një vend të veçantë. Kjo është kryesisht për shkak të efektit të magnetorezistencës gjigante izotropike të zbuluar në to. Studimi i këtij fenomeni, si dhe përpjekjet e zhvilluesve të pajisjeve të ndryshme mikroelektronike magnetike për të rritur madhësinë e ndryshimit të rezistencës elektrike për njësi të fushës magnetike, çuan në shfaqjen e një familjeje të re, më komplekse të filmave me shumë shtresa. strukturat të ashtuquajturat Lloji i "valvulës rrotulluese".. Ata tashmë përfaqësojnë alternimi periodik i jo dy, por tre ose më shumë shtresave me parametra të ndryshëm magnetikë. Në këtë rast, procesi i përmbysjes së magnetizimit të tyre është anizotropik. Kur fusha magnetike e jashtme e aplikuar ndryshon në drejtimin e vektorit të magnetizimit, i magnetizuar më parë deri në ngopjen e shtresës së fortë magnetike në një interval më të vogël se forca e saj shtrënguese, shtresa e butë magnetike do të rimagnetizohet në këtë drejtim në një fushë nën forcën e saj shtrënguese. . Dhe në drejtim të kundërt - në një fushë më të madhe se forca e saj shtrënguese. Ky ndryshim në fushat e kthimit të magnetizimit të shtresave me shtrëngim të ulët dhe të lartë në një strukturë shumështresore në drejtime të kundërta është thelbi i efektit "valvul". Gjendja e një strukture shumështresore, kur momentet magnetike të shtresave magnetike të buta dhe të forta janë antiparalele, është e paqëndrueshme. Dhe një fushë e vogël e drejtimit të kundërt çon në përmbysjen e papritur të magnetizimit të shtresave me shtrëngim të ulët. Kjo është arsyeja pse mund të arrihet ndjeshmëri e lartë e elementit magnetorezistues.

Një tjetër mundësi për rritjen e madhësisë së efektit magnetorezistues është prodhimi i një strukture shumështresore në formën e nanotelave. Kjo arrihet ekskluzivisht nga depozitimi elektrolitik i pulsuar në poret e nanomembranave. Për nanotelat, gjeometria e efektit magnetorezistues realizohet lehtësisht kur rryma elektrike është pingul me ndërfaqet midis shtresave në një strukturë shumështresore, gjë që është e pamundur për filmat konvencionalë me shumë shtresa me gjeometri të sheshtë. Në këtë rast, të gjitha elektronet e përcjelljes detyrohen të kalojnë shtresa magnetike me një drejtim periodik antiparalel të momenteve të tyre magnetike dhe, për rrjedhojë, efekti i shpërndarjes së tyre do të jetë më i madh në krahasim me strukturat konvencionale shumështresore. Vështirësia kryesore është se kur ndryshoni potencialin e depozitimit (ose densitetin e rrymës katodë D K), është e nevojshme të zgjidhni kushte të tilla depozitimi (kryesisht përbërja e elektrolitit dhe mënyrat e depozitimit) kur vetëm duke i ndryshuar ato (ose D K) një ndryshim mjaft të madh. në përbërje do të arrihet dhe struktura kristalore e shtresave magnetike dhe, për rrjedhojë, forca e tyre shtrënguese do të ndryshojnë gjithashtu ndjeshëm. Këto kushte mund të plotësohen nga filmat CoFeP dhe CoW, në të cilat përmbajtja e fosforit dhe tungstenit është një funksion i densitetit të rrymës. Dhe, për shembull, në densitet të ulët të rrymës (D K ~ 10-20 mA/cm 2) përmbajtja e fosforit arrin ~20-25 at.%. Në këtë rast, filmat CoFeP 25 janë amorfe magnetikisht të butë dhe me një përmbajtje fosfori prej ~ 5-10 at% (D K 70 mA/cm 2) ato janë polikristaline dhe, në përputhje me rrethanat, të forta magnetike. E njëjta gjë është e vërtetë për sistemin kobalt-tungsten.

Për ata që shkruajnë dhe lexojnë me kokë, zakonisht përdorin efekti gjigant i rezistencës magnetike (GMR), një efekt mekanik kuantik që siguron kapacitetin e madh të disqeve të sotme. Duke përdorur GMR
siguron dendësi memorie shumë më të madhe se 100 gigabit për inç katror. Ndërsa hard disqet moderne kanë domene magnetike të orientuara në një plan, gjenerata e ardhshme e disqeve do t'i ketë ato të orientuara pingul. Teknika e regjistrimit pingul (Fig., më poshtë) do të sigurojë paketim më të dendur të informacionit. Por do të kërkojë koka më të ndjeshme shkrimi dhe leximi, të cilat mund të bëhen duke përdorur efektin edhe më kompleks të magnetorezistencës së tunelit (TMR). Në këtë kuptim
Hard disqet e kompjuterit mund të konsiderohen si produkt i nanoteknologjisë.

Oriz. Efekti gjigant i magnetorezistencës (GMR) përdoret gjerësisht në disqet e ngurtë. Seagate Technology LLC (lart). Dendësia e ruajtjes së të dhënave mund të rritet duke ndryshuar orientimin e rajoneve magnetike. Regjistrim pingul
siguron densitet më të lartë të ruajtjes. VDI Technologiezentrum GmbH (më poshtë)

Vetëm gjatë muajit shkurt 2013, media e teknologjisë së informacionit prodhoi një mori lajmesh mjaft të spikatura për arritjet në fushën e spintronicës. Kjo do të thotë, për një lloj të ri, thelbësisht të ndryshëm të pajisjeve elektronike që nuk mbështeten në ngarkesën elektrike të grimcave bartëse, por në rrotullimin e tyre - një veti kuantike e natyrshme në grimcat, zhvillimi i së cilës 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 miniaturizimi, një pajisje memorie spintronike e bazuar në materiale organike të lira mund të ruajë afërsisht një petabajt të dhënash (një mijë terabajt ose një milion gigabajt) në një çip me madhësi rreth një inç.

Nëse po 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 së 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. Nëpërmjet 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 ndryshe, të gjitha problemet e njohura të teknologjisë - me litografinë, materialet, ftohjen - 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 kjo gjë tjetër pothuajse me siguri.

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 të fushës 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

Për ta bërë më të qartë gjendjen e përgjithshme në spintronicë, është e nevojshme të theksohet 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, sfida kryesore për zhvilluesit është gjetja e materialeve të polarizuara me spin (substanca në të cilat shumica e rrotullimeve të elektroneve janë të lidhura në një drejtim të caktuar) që mund të kombinohen në mënyrë efektive me ato.

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, të përdorura me shkallë të ndryshme suksesi 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 spintronike gjysmëpërçuese...

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. Sidoqoftë, sipas traditës shekullore ruse, emrat dhe titujt e huaj shqiptohen në mënyrën 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 demonstrojnë karakteristika të ndryshme nga ato që pritet natyrshëm nga elementët që i përbëjnë ato. Përbërja e parë e Geisler, për shembull, ishte bërë 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.

Pak më hollësisht, komponimet Heusler janë materiale me një strukturë përbërjeje shumë të përgjithshme, të shprehura 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 rreth 10 kandidatë të ndryshëm, numri i përgjithshëm i materialeve të mundshme Heusler vlerësohet afërsisht në rreth 1000 (plus, ka të ashtuquajturat "gjysmë-Heusler", të përshkruar nga XYZ formulë dhe gjithashtu ka një sërë vetive 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 pjesë të strukturës, 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 gjashtë deri në shtatë vitet e fundit, izoluesit topologjikë, ose shkurt TI, kanë qenë një temë shumë e nxehtë kërkimore në fushën e fizikës së gjendjes së ngurtë dhe shkencës së materialeve. Vetia kryesore karakteristike e TI është fakti se, megjithëse këto materiale janë në 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 dhe, madje, mund të thuhet, eksitimi i dhunshëm u shfaqën në komunitetin shkencor kur doli se materialet e Heisler, të cilat ishin studiuar dhe zotëruar prej kohësh nga shkencëtarët, posedojnë pikërisht këto të jashtëzakonshme Vetitë TE.

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, eksperimentalisht ende të pazbuluara, 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 rishikoheshin zhvillime të tjera 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 mbështeteni 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 me të vërtetë inovative, mbështetet në procedurat plotësisht standarde të prodhimit dhe nuk ka asnjë pengesë themelore për zhvillimin e saj të mëtejshëm (për momentin).

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

Hard disqe dhe spintronika

• Pajisje kompjuterike

Hyrje

Çfarë është spintronika?

Kudo që them këtu, rrotullo dhe rrotullo, por çfarë është kjo?

Spin (nga anglishtja spin - rrotullim, rrotullim) është momenti këndor i brendshëm i një elektroni që nuk lidhet me lëvizjen e tij në hapësirë. Duke e thjeshtuar pak, spin-i mund të mendohet si rrotullimi i një elektroni rreth boshtit të tij.

Le të kujtojmë pak matematikën dhe fizikën.
Në fizikën klasike, momenti këndor mekanik i një grimce (ose, siç thonë ata gjithashtu, në momentin e momentit) është i barabartë me:

r– vektori i rrezes së grimcës;
fqështë vektori i momentit të grimcës.

Në p = 0, momenti këndor i një grimce klasike M = 0. Për një elektron, në p = 0, M ≠ 0.
Spin-i i një elektroni mund të marrë dy vlera:


Oriz. 1. Rrotullimet e elektroneve

Në përgjithësi, spin-i matet në njësi h (konstantja e Planck-ut), dhe spin-i thuhet se është i barabartë me . Momenti magnetik i vetë elektronit është i lidhur me spin.

Mendoj se mjaftojnë një tufë simbolesh matematikore më sipër për të munduar pak lexues. Dhe nëse po, atëherë ne nuk do të përdorim më formula.

Ndryshe nga ngarkesat klasike, të cilat krijojnë një moment magnetik vetëm në prani të rrymës së tyre (si, për shembull, në një solenoid), një elektron ka një moment magnetik në momentin zero. Jo vetëm elektronet kanë spin magnetik, por edhe disa grimca të tjera elementare, si dhe bërthamat e disa atomeve.

Efektet spintronike përdorin vetitë e materialeve ferrimagnetike. Këto janë materiale që përmbajnë atome që kanë një moment magnetik (për shembull, Fe - hekur, Ko - kobalt, Ni - nikel), dhe në një temperaturë nën një temperaturë të caktuar kritike (temperatura Curie), momentet magnetike të atomeve janë të renditura. në lidhje me njëri-tjetrin. Kur rrotullimet janë paralele, materialet quhen feromagnet, dhe kur rrotullimet janë antiparalele, quhen antiferromagnet.

Në vitin 1989, strukturat që përbëheshin nga shtresa feromagnetike dhe jomagnetike u hetuan. U studiua përçueshmëria e tyre. Le të shohim foton:

Fig.2. Struktura ferromagnetike me tre shtresa

Siç shihet nga figura, të dyja strukturat përbëhen nga tre shtresa: ferromagnetike në skajet e strukturës dhe një shtresë jomagnetike në mes. Një shembull i vërtetë i strukturave të tilla do të ishte Fe-Cr-Fe (hekur-krom-hekur) ose Co-Cu-Co (kobalt-bakër-kobalt). Për më tepër, gjerësia e shtresës jomagnetike është rreth 1 nm, ose më saktë, gjerësia e shtresës duhet të jetë më e vogël se rruga mesatare e lirë e elektronit, në mënyrë që të mos ketë shpërndarje dhe humbje të rrotullimit gjatë lëvizjes së tij. Përçueshmëria në një strukturë të tillë ndodh vetëm nëse magnetizimet e shtresave të jashtme janë të njëanshme, siç mund të shihet në figurën e duhur. Përndryshe, marrim një "izolues metalik".

Dhe si zbatohet kjo për HDD?

Fig.3. HDD

Vetëm koka e regjistrimit/leximit është me interes brenda objektit të këtij neni. E "praruar" posaçërisht me bojë të verdhë (si në atë gjënë qesharake me Petka dhe Vasily Ivanovich). Në përgjithësi, kjo nuk është një pajisje në kokë, por dy: një pjesë regjistrimi dhe një pjesë leximi. Le të hedhim një vështrim më të afërt në pjesën e leximit:

Fig.4. Kokë leximi

Siç mund ta shihni, koka përbëhet nga katër shtresa: hekur, bakër, kobalt dhe një antiferromagnet AFM. Fjalët AFM, ose siç quhet ndryshe, shtresa e shkëmbimit, është krijuar për të rregulluar fushën magnetike të shtresës së dytë. Shtresa e dytë quhet shtresa fiksuese dhe në rastin tonë është prej kobalti. Në të, fusha magnetike drejtohet gjithmonë në një drejtim. Shtresa e tretë është përçuese, zakonisht prej bakri dhe shërben për ndarjen e shtresave ferromagnetike. Shtresa e fundit, ajo e ndjeshme, është gjithashtu e bërë nga një material ferromagnetik. Për dallim nga ai fiksues, drejtimi i fushës magnetike të tij varet nga fusha e jashtme - fusha e qelizës. Një qelizë e diskut të ngurtë përmban një pjesë të informacionit. Në varësi të orientimit të fushës së qelizës, orientimi i fushës në shtresën e ndjeshme ndryshon. Nëse orientimet e fushave në shtresat e ndjeshme dhe ato të regjistrimit përkojnë, atëherë qeliza, sipas parimeve të diskutuara më sipër, rrit përçueshmërinë e saj, d.m.th. fillon të përçojë rrymë. Nëse orientimet e fushave janë të kundërta, atëherë marrim një "izolues metalik". Ky efekt i ndryshimit të përçueshmërisë (ose rezistencës, sepse këto janë vetëm sasi reciproke) quhet GMR - Magnetoresistive Giant - efekti i magnetorezistencës gjigante. Efekti GMR u studiua për herë të parë në laboratorët e IBM në fund të viteve 80, por u deshën pothuajse 10 vjet për zbatimin e tij industrial.

Fakti që teknologji të tilla komplekse na rrethojnë kudo është shumë marramendëse. Për të vazhduar.

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 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 të pastërtisë së 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 feromagnetike (CoFe) 10 nm trashësi dhe metalizim alumini (Al). Kjo strukturë shërbeu si një emetues i elektroneve të polarizuara nga spin. Nga poshtë në vaferën e silikonit ( 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, megjithatë krijon rezistencë të shtuar 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– meqenëse ka tretshmërinë më të lartë). Ndërveprimi i shkëmbimit të elektroneve nga pjesërisht i mbushur d- Dhe f- predhat e joneve magnetike me bartës të ngarkesës në brez të gjysmëpërçuesit kryesor ndryshojnë ndjeshëm vetitë e këtij të fundit dhe çojnë 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 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 hendek 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 është sintetizuar dhe studiuar. 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 feromagnetikë. 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 thithni dritën e polarizuar rrethore, zbatohen të njëjtat rregulla përzgjedhjeje. Si rezultat i kësaj, atomet që thithin një foton të polarizuar rrethore shkojnë në gjendje me një numër kuantik magnetik 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: Bëhu(20 nm), nanogrimca gjysmëpërçuese ferromagnetike MnAs rreth 3 nm në diametër, i shpërndarë në një matricë arsenidi 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 majë të nënshtresës dhe shtresës MnAs.

Nëse nanogrimcat MnAs duke përdorur një fushë magnetike të jashtme, rimagnetizoni në drejtim të kundërt me drejtimin e magnetizimit të 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 mbyllni qarkun elektrik të jashtëm, atëherë 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.

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 janë duke kërkuar për parime të reja 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 do të ndryshojë. Kjo do të thotë se pothuajse nuk gjenerohet nxehtësi.
Ekspertët identifikojnë tre drejtime kryesore në zhvillimin e spintronicës: kompjuter kuantik, transistor me efekt në terren dhe memorie rrotulluese.
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 pika 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 pa përshkruar 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 të përpunuar operacione logjike - shpejt dhe ekonomikisht 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.

Sjellja e elektronikës spin nga laboratori në treg mbetet një detyrë jashtëzakonisht sfiduese. Hulumtimi i sotëm kryhet në temperatura shumë të ulëta, në të cilat rrotullimet e elektroneve ndërveprojnë minimalisht me mjedisin. Në mënyrë të veçantë, puna kërkimore e përshkruar këtu 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