Spintronika

Spintronika ( portmanteau oznaczająca elektronikę transportu spinowego ), znana również jako elektronika spinowa , to badanie wewnętrznego spinu elektronu i związanego z nim momentu magnetycznego , oprócz podstawowego ładunku elektronicznego , w urządzeniach półprzewodnikowych . Dziedzina spintroniki dotyczy sprzężenia ładunku spinowego w układach metalicznych; analogiczne efekty w izolatorach należą do dziedziny multiferroiki .

Spintronika zasadniczo różni się od tradycyjnej elektroniki tym, że oprócz stanu naładowania spiny elektronów są wykorzystywane jako kolejny stopień swobody, co ma wpływ na wydajność przechowywania i przesyłania danych. Systemy spintroniczne są najczęściej realizowane w rozcieńczonych półprzewodnikach magnetycznych (DMS) i stopach Heuslera i są szczególnie interesujące w dziedzinie obliczeń kwantowych i obliczeń neuromorficznych .

Historia

Spintronika wyłoniła się z odkryć w latach 80. XX wieku dotyczących zjawisk transportu elektronów zależnych od spinu w urządzeniach półprzewodnikowych. Obejmuje to obserwację o spolaryzowanym spinie z metalu ferromagnetycznego do normalnego metalu przez Johnsona i Silsbee (1985) oraz odkrycie gigantycznego magnetooporu niezależnie przez Alberta Ferta i in. i Petera Grunberga i in. (1988). Pochodzenie spintroniki można prześledzić do eksperymentów tunelowania ferromagnesu / nadprzewodnika, których pionierami byli Meservey i Tedrow, oraz początkowych eksperymentów na magnetycznych złączach tunelowych przeprowadzonych przez Julliere'a w latach siedemdziesiątych. Zastosowanie półprzewodników w spintronice rozpoczęło się wraz z teoretyczną propozycją spinowego tranzystora polowego autorstwa Datty i Dasa w 1990 r. Oraz elektrycznego rezonansu spinowego dipola autorstwa Rashby w 1960 r.

Teoria

Główny artykuł: Spin (fizyka)

Spin elektronu jest wewnętrznym momentem pędu , który jest oddzielony od momentu pędu ze względu na jego ruch orbitalny . Wielkość rzutu spinu elektronu wzdłuż dowolnej osi wynosi działa jak fermion na podstawie twierdzenia o statystyce spinowej . Podobnie jak orbitalny moment pędu, ze spinem związany jest moment magnetyczny , którego wielkość wyraża się jako

.

W ciele stałym spiny wielu elektronów mogą oddziaływać razem, wpływając na właściwości magnetyczne i elektroniczne materiału, na przykład nadając mu stały moment magnetyczny, jak w ferromagnesie .

W wielu materiałach spiny elektronów są jednakowo obecne zarówno w stanie górnym, jak i dolnym, a żadne właściwości transportowe nie są zależne od spinu. Urządzenie spintroniczne wymaga generowania lub manipulowania populacją elektronów spolaryzowanych spinowo, co skutkuje nadmiarem elektronów ze spinem w górę lub w dół. Polaryzację dowolnej zależnej od spinu właściwości X można zapisać jako

.

Polaryzację spinu netto można osiągnąć poprzez utworzenie równowagi podziału energii między spinem w górę i w dół. Metody obejmują umieszczenie materiału w dużym polu magnetycznym ( efekt Zeemana ), wymianę energii obecną w ferromagnetyku lub wytrącenie układu z równowagi. Okres, w którym taka nierównowaga populacji może być utrzymana, jest znany jako czas .

W przewodniku dyfuzyjnym długość dyfuzji spinu nierównowagowa populacja spinów. Czasy życia wirowania elektronów przewodzących w metalach są stosunkowo krótkie (zwykle poniżej 1 nanosekundy). Ważny obszar badań poświęcony jest wydłużeniu tego okresu życia do technologicznie odpowiednich skal czasowych.

Wykres przedstawiający spin w górę, spin w dół i wynikającą z tego spolaryzowaną populację elektronów. Wewnątrz wtryskiwacza spinowego polaryzacja jest stała, podczas gdy na zewnątrz wtryskiwacza polaryzacja spada wykładniczo do zera, gdy populacje w górę iw dół osiągają równowagę.

Mechanizmy rozpadu populacji spolaryzowanej spinowo można ogólnie sklasyfikować jako rozpraszanie spin-flip i usuwanie fazy spinu. Rozpraszanie typu spin-flip to proces wewnątrz bryły, który nie zachowuje spinu i dlatego może przełączyć przychodzący stan rozkręcania w stan rozkręcania wychodzący. Odfazowanie spinu to proces, w którym populacja elektronów o wspólnym stanie spinu staje się z czasem mniej spolaryzowana z powodu różnych szybkości precesji spinu elektronu . W strukturach zamkniętych można stłumić rozfazowanie spinu, co prowadzi do milisekundowych czasów życia w półprzewodnikowych kropkach kwantowych w niskich temperaturach.

Nadprzewodniki mogą wzmacniać efekty centralne w spintronice, takie jak efekty magnetooporu, czas życia spinu i bezdyssypacyjne prądy spinowe.

Najprostszą metodą generowania prądu spolaryzowanego spinowo w metalu jest przepuszczanie prądu przez materiał ferromagnetyczny . Najczęstsze zastosowania tego efektu obejmują urządzenia z gigantycznym magnetooporem (GMR). Typowe urządzenie GMR składa się z co najmniej dwóch warstw materiałów ferromagnetycznych oddzielonych warstwą dystansową. Kiedy dwa wektory magnesowania warstw ferromagnetycznych są wyrównane, opór elektryczny będzie niższy (więc przy stałym napięciu płynie wyższy prąd) niż w przypadku, gdy warstwy ferromagnetyczne są wyrównane. Stanowi to czujnik pola magnetycznego.

W urządzeniach zastosowano dwa warianty GMR: (1) prąd w płaszczyźnie (CIP), gdzie prąd elektryczny płynie równolegle do warstw oraz (2) prąd prostopadle do płaszczyzny (CPP), gdzie prąd elektryczny płynie w kierunku prostopadłym do warstw.

Inne metalowe urządzenia spintroniki:

  • Magnetorezystancja tunelowa (TMR), w której transport CPP odbywa się za pomocą kwantowo-mechanicznego tunelowania elektronów przez cienki izolator oddzielający warstwy ferromagnetyczne.
  • Moment przeniesienia spinu , w którym prąd elektronów spolaryzowanych spinowo służy do sterowania kierunkiem magnesowania elektrod ferromagnetycznych w urządzeniu.
  • Urządzenia logiczne z falą spinową przenoszą informacje w fazie. Zakłócenia i rozpraszanie fal spinowych mogą wykonywać operacje logiczne.

Urządzenia spintronikowo-logiczne

Nieulotne urządzenia z logiką spinową umożliwiające skalowanie są szeroko badane. Zaproponowano urządzenia logiczne z przenoszeniem spinu i momentem obrotowym, które wykorzystują spiny i magnesy do przetwarzania informacji. Urządzenia te są częścią eksploracyjnej mapy drogowej ITRS . Aplikacje pamięci logowania są już w fazie rozwoju. Artykuł przeglądowy z 2017 r. można znaleźć w Materials Today .

Zaproponowano uogólnioną teorię obwodów dla spintronicznych układów scalonych, aby fizyka transportu spinu mogła być wykorzystana przez programistów SPICE, a następnie przez projektantów obwodów i systemów do eksploracji spintroniki „poza obliczeniami CMOS”.

Aplikacje

Głowice odczytu magnetycznych dysków twardych działają w oparciu o efekt GMR lub TMR.

Firma Motorola opracowała pierwszą generację magnetorezystancyjnej pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) o pojemności 256 kb , opartą na pojedynczym magnetycznym złączu tunelowym i pojedynczym tranzystorze, którego cykl odczytu/zapisu wynosi mniej niż 50 nanosekund. Od tego czasu Everspin opracował wersję 4 Mb . Opracowywane są dwie techniki MRAM drugiej generacji: przełączanie wspomagane termicznie (TAS) i moment przeniesienia spinu (STT).

Inny projekt, pamięć racetrack , koduje informacje w kierunku namagnesowania między ścianami domen drutu ferromagnetycznego.

W 2012 roku trwałe helisy spinowe zsynchronizowanych elektronów utrzymywały się przez ponad nanosekundę, co stanowi 30-krotny wzrost w porównaniu z wcześniejszymi wysiłkami i dłużej niż czas trwania cyklu zegara współczesnego procesora.

Urządzenia spintroniczne oparte na półprzewodnikach

Domieszkowane materiały półprzewodnikowe wykazują rozcieńczony ferromagnetyzm. W ostatnich latach rozcieńczone tlenki magnetyczne (DMO), w tym DMO na bazie ZnO i DMO na bazie TiO 2 , były przedmiotem licznych badań eksperymentalnych i obliczeniowych. Nietlenkowe ferromagnetyczne źródła półprzewodnikowe (takie jak arsenek galu domieszkowany manganem (Ga,Mn)As ) zwiększają rezystancję międzyfazową za pomocą bariery tunelowej lub wtrysku gorących elektronów.

Wykrywanie spinu w półprzewodnikach zostało rozwiązane za pomocą wielu technik:

  • Rotacja Faradaya/Kerra transmitowanych/odbijanych fotonów
  • Analiza polaryzacji kołowej elektroluminescencji
  • Nielokalny zawór wirujący (na podstawie pracy Johnsona i Silsbee z metalami)
  • Balistyczne filtrowanie wirowania

Ta ostatnia technika została wykorzystana do przezwyciężenia braku interakcji spin-orbita i problemów materiałowych w celu uzyskania transportu spinu w krzemie .

Ponieważ zewnętrzne pola magnetyczne (i pola rozproszone ze styków magnetycznych) mogą powodować duże efekty Halla i magnetoopór w półprzewodnikach (które naśladują efekty zaworu spinowego ), jedynym rozstrzygającym dowodem na transport spinu w półprzewodnikach jest wykazanie precesji spinu i odfazowania w polu magnetycznym niewspółliniowy do wstrzykniętej orientacji spinu, zwany efektem Hanle'a .

Aplikacje

Zastosowania wykorzystujące iniekcję elektryczną spolaryzowaną spinowo wykazały progową redukcję prądu i kontrolowaną, spolaryzowaną kołowo koherentną moc świetlną. Przykłady obejmują lasery półprzewodnikowe. tranzystor spinowy, który ma przewagę nad urządzeniami MOSFET , na przykład bardziej strome zbocze podprogowe.

Tranzystor tunelowy magnetyczny : Tranzystor tunelowy magnetyczny z pojedynczą warstwą bazową ma następujące zaciski:

  • Emiter (FM1): Wstrzykuje spolaryzowane spinowo gorące elektrony do podstawy.
  • Baza (FM2): Rozpraszanie zależne od spinu ma miejsce w bazie. Służy również jako filtr wirujący.
  • Kolektor (GaAs): Na granicy faz tworzy się bariera Schottky'ego . Zbiera tylko te elektrony, które mają wystarczającą energię do pokonania bariery Schottky'ego i gdy w półprzewodniku dostępne są stany.

Magnetoprąd (MC) wyraża się wzorem:

A współczynnik transferu (TR) wynosi

MTT obiecuje źródło elektronów o wysokim spinie spolaryzowanym w temperaturze pokojowej.

Nośniki

Antyferromagnetyczne nośniki pamięci były badane jako alternatywa dla ferromagnetyzmu , zwłaszcza że bity z materiału antyferromagnetycznego mogą być przechowywane tak samo, jak z materiałem ferromagnetycznym. Zamiast zwykłej definicji 0 ↔ „magnesowanie w górę”, 1 ↔ „magnesowanie w dół”, stanami mogą być np. 0 ↔ „konfiguracja wirowania naprzemiennego w pionie” i 1 ↔ „konfiguracja wirowania naprzemiennego w poziomie”.).

Główne zalety materiału antyferromagnetycznego to:

  • niewrażliwość na niszczące dane zakłócenia powodowane przez pola rozproszone z powodu zerowego zewnętrznego namagnesowania netto;
  • brak wpływu na bliskie cząstki, co oznacza, że ​​elementy urządzenia antyferromagnetycznego nie zakłócałyby magnetycznie sąsiednich elementów;
  • znacznie krótsze czasy przełączania (częstotliwość rezonansu antyferromagnetycznego mieści się w zakresie THz w porównaniu z częstotliwością rezonansu ferromagnetycznego GHz);
  • szeroka gama powszechnie dostępnych materiałów antyferromagnetycznych, w tym izolatory, półprzewodniki, półmetale, metale i nadprzewodniki.

Prowadzone są badania nad tym, jak odczytywać i zapisywać informacje w antyferromagnetycznej spintronice, ponieważ ich zerowe namagnesowanie netto utrudnia to w porównaniu z konwencjonalną spintroniką ferromagnetyczną. W nowoczesnych MRAM wykrywanie i manipulowanie uporządkowaniem ferromagnetycznym za pomocą pól magnetycznych zostało w dużej mierze porzucone na rzecz bardziej wydajnego i skalowalnego odczytu i zapisu za pomocą prądu elektrycznego. Metody odczytu i zapisu informacji za pomocą prądu, a nie pól, są również badane w antyferromagnesach, ponieważ pola i tak są nieskuteczne. Metody pisania obecnie badane w antyferromagnesach obejmują moment obrotowy przeniesienia spinu i moment spinowo-orbitalny ze spinowego efektu Halla i efektu Rashby . Badane jest również odczytywanie informacji w antyferromagnesach za pomocą efektów magnetooporu, takich jak magnetoopór tunelowy .

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spintronics&oldid=1142233899 ”