Но потенциал спинтроники не исчерпывается уже разработанными и освоенными технологиями. Несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся уже более семи лет, здесь существует очень много нерешенных научных и технических проблем. Например, сейчас для изменения намагниченности участка ферромагнетика используется магнитное поле. Так как мы умеем создавать магнитное поле только при помощи электрического тока (постоянные магниты не в счет), то встает проблема локализации этого магнитного поля в ограниченном участке пространства. Чем меньше этот участок, тем более высокую плотность хранения информации на магнитном носителе можно получить (конечно, остаются еще вопросы подбора соответствующих магнитных материалов). Недавно сотрудниками Лабораторий физики твердого тела (Цюрих) и Стэнфордского университета был поставлен эксперимент, который показывает возможность изменения намагниченности материала при помощи потока электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин-поляризованы). При помощи фотоэмиссии из полупроводникового катода, вызванной поляризованным светом, был получен пучок спин-поляризованных электронов. Этот пучок был пропущен через магнитную пленку толщиной несколько нанометров. При пролете электронов через пленку спин электронов изменяется (это явление называется прецессией). Так как ничто в природе не проходит бесследно, то и спины электронов в магнитной пленке также изменяются, что и означает изменение намагниченности вещества. Если число пролетевших электронов сравнимо с количеством атомов вещества, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметно. Эффект может быть использован как для записи информации, так и для считывания (при меньшей интенсивности пучка электронов). Потенциально данная технология может обеспечивать скорости перемагничивания (то есть фактически чтения-записи информации) до десятков гигагерц, но до этого исследователям придется пройти еще очень длинный путь.

Другой интересный эффект, который был получен усилиями ученых, состоит в получении чисто спинового потока электронов, без переноса заряда. В эксперименте были сформированы два встречных потока электронов с противоположно направленным спином. Этот удивительный эффект достигнут при помощи двух импульсных поляризованных лазеров, частота одного из которых вдвое меньше, чем другого. Таким образом, достигнута передача спинового заряда без наличия разности потенциалов. Пока это явление наблюдается на расстояниях порядка нескольких десятков нанометров, но дальнейшие исследования в этом направлении продолжаются.

Одна из проблем спинтроники связана с используемыми материалами. Дело в том, что для нее требуется использование ферромагнетиков, магнитные свойства которых и вызывают к жизни разнообразные эффекты с участием спинов электронов. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют усиливать электрический ток в транзисторах – в металлах такой эффект невозможен. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, который является полупроводником. На первый взгляд задача неразрешимая – что-то вроде соленого сахара или сухой воды. Но нет преград для пытливых умов ученых.

В Северо-Западной тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан новый полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде нанометровых пленок методом молекулярной эпитаскии. В глубоком вакууме пучки атомов в нужном соотношении направляются на кристаллическую поверхность, где формируют необходимую кристаллическую структуру. К сожалению, данный метод пригоден только для создания тонких пленок. Зато по своим свойствам он является весьма заманчивым материалом для создания новых спинтронных устройств. Другим подобным материалом является эпитаксиальная пленка из чередующихся прослоек соединений галлия – GaSb, GaMn. Магнитные свойства данного полупроводника сохраняются вплоть до 130° С, что вполне достаточно для нужд современной техники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических соединений. И в этом направлении существуют интересные открытия. В Калифорнийском университете (Риверсайд) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62° С вещество из прозрачного (в инфракрасном спектре) изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например фотоники. Правда, рабочая температура перехода несколько высоковата для использования, но ученые надеются уменьшить ее вариацией состава вещества.

В университете штата Огайо был исследован пластик – тетрацианоэтанид ванадия. Несмотря на свою органическую природу, он имеет и магнитные свойства, сохраняющиеся вплоть до 130° С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволит в будущем создавать дешевую пластиковую память.

В перспективе спинтроника позволит осуществлять обработку и хранение информации в рамках одних и тех же устройств, что приведет как к росту быстродействия, так и к снижению энергопотребления. Создание быстродействующей энергонезависимой памяти MRAM позволит создавать компактные устройства, сочетающие большое время автономной работы с высокой производительностью. Интеграция достижений электроники и спинтроники может значительно продлить жизнь закону Мура и раскрыть новые горизонты в развитии современных компьютеров.

Перспективные направления развития спинтроники

Спин-электронные сенсоры позиционирования и движения . Сенсоры на основе эффекта GMR, используемые для определения величины и направления магнитного поля, нашли широкое применение в следующих областях: хранение и считывание информации, программируемые вентильные матрицы, авиационная электроника, электронное машинное управление и автомобильные активные системы безопасности. Например, мировой рынок автомобильных датчиков, с ежегодным ростом более 10%, является одним из самых быстро развивающихся, в настоящее время он достиг 8,5 млрд евро. В последние годы основными тенденциями развития мирового автопрома являются улучшение управления двигателем внутреннего сгорания (с целью уменьшения автомобильных выбросов), тормозной и противоскользящей системами, устройствами безопасности и т.д. Поскольку эти технологии стремительно развиваются, на первое место встает усовершенствование спиновых магнитных сенсоров: повышение чувствительности, стабильности, надежности и подавление шумов.

Спиновый диод . Идея спинового двухконтактного диода впервые была предложена Мэтьюусом. Диод состоит из пятислойной магнитной системы, в которой три ферромагнитных слоя разделены слоями парамагнетика. Одна из наиболее удачных попыток практической реализации спинового диода была осуществлена в 2004 г. В будущем планируется использовать спиновые диоды как элементарные ячейки MRAM-памяти.

Когерентная квантовая спинтроника . В более далекой перспективе находится квантовая когерентная спинтроника. Имеются в виду устройства, размеры которых настолько малы, что квантовая когерентность волновой функции электрона сохраняется поперек устройства, связывая входящие и выходящие электрические сигналы. Нанотехнологии достигли такого уровня, что сегодня можно создавать устройства с масштабом 1 нм. Типичным примером является туннельный диод (Patent Application No FR9904227, France).

Квантовый компьютинг . Исследователи предсказывают широкое использование разработок спинтроники в сфере квантового компьютинга. Считается, что следующим серьезным этапом развития спинтроники станут устройства, в которых информация будет передаваться не посредством спинов электронов, а с использованием сложных кубитовых пар. Например, многоконтактные спиновые устройства, которые могут быть основаны на потоках запутанных кубитов. Практически реализовать подобное устройство можно на базе спин-электронных транзисторов.

Потенциал спинтроники не исчерпывается уже разра-ботанными и освоенными технологиями, описанными выше. Несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся уже более двух десятков лет, существует очень много нерешенных научных и технических проблем. Например, сейчас для изменения намагниченности участка ферромагнетика используется магнитное поле. Так как мы умеем создавать магнитное поле только при помощи электрического тока (постоянные магниты не в счет), то встает проблема локализации этого магнитного поля в ограниченном участке пространства. Чем меньше этот участок, тем более высокую плотность хранения информации на магнитном носителе можно получить (конечно, остаются еще вопросы подбора соответствующих магнитных материалов). В лабораториях физики твердого тела (Цюрих) и Стэнфордского университета был поставлен эксперимент, который показывает возможность изменения намагниченности материала при помощи потока электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин поляризованы). При помощи фотоэмиссии из полупроводникового катода, вызванной поляризованным светом, был получен пучок спин поляризованных электронов. Этот пучок был пропущен через магнитную пленку толщиной несколько нанометров. При пролете электронов через пленку спин электронов изменяется (это явление называется прецессией ). Так как ничто в природе не проходит бесследно, то и спины электронов в магнитной пленке также изменяются, что и означает изменение намагниченности вещества. Если число пролетевших электронов сравнимо с количеством атомов вещества, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметно. Эффект может быть использован как для записи информации, так и для считывания (при меньшей интенсивности пучка электронов). Потенциально данная технология может обеспечивать скорости перемагничивания (то есть фактически чтения-записи информации) до десятков гигагерц, но до этого исследователям придется пройти

еще очень длинный путь.

Другой интересный эффект состоит в получении чисто спинового потока электронов без переноса заряда. В эксперименте были сформированы два встречных потока электронов с противоположно направленным спином. Этот удивительный эффект достигнут при помощи двух импульсных поляризованных лазеров, частота одного из которых вдвое меньше, чем другого. Таким образом, достигнута передача спинового заряда без наличия разности потенциалов. Пока это явление наблюдается на расстояниях порядка нескольких десятков нанометров, но дальнейшие исследования в этом направлении продолжаются.

Одна из проблем спинтроники связана с используемыми материалами. Дело в том, что для спинтроники необходимы ферромагнетики, магнитные свойства которых и вызывают к жизни разнообразные эффекты с участием спинов электронов. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют усиливать электрический ток в транзисторах - в металлах такой эффект невозможен. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, являющийся полупроводником . В Северо-Западной тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан новый полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде нанометровых пленок методом молекулярной эпитаксии. В глубоком вакууме пучки атомов в нужном соотношении направляются на кристаллическую поверхность, где формируют необходимую кристаллическую структуру.

Другой подобный материал - это эпитаксиальная пленка из чередующихся прослоек соединений галлия: GaSb,GaMn. Магнитные свойства данного полупроводника сохраняются вплоть до 130°С, этого достаточно для нужд современной техники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических соединений . В Калифорнийском университете (Риверсайд) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62°С вещество из прозрачного (в инфракрасном спектре) изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например, фотоники. Правда, рабочая температура перехода несколько высока для использования, но ученые надеются уменьшить ее вариацией состава вещества.

В университете штата Огайо был исследован пластик - тетрацианоэтанид ванадия . Несмотря на своюорганическую природу, он имеет и магнитные свойства,сохраняющиеся вплоть до 130°С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволитв будущем создавать дешевую пластиковую память.

Нанокомпозиты в виде металлических проводок в поликарбонате или оксиде алюминия. Поликарбонатная пленка подвергается воздействию тяжелых высокоэнергетических заряженных частиц в ядерном реакторе. Проходя через поликарбонат, заряженные частицы оставляют треки с нарушенной (т.е. другой, отличной от остального массива) структурой. Затем эти треки вытравливаются в концентрированном растворе щелочи и таким образом формируются однородные сквозные цилиндрические поры. Плотность пор определяется продолжительностью пребывания мембраны в реакторе. Выпускаются мембраны со стандартными значениями плотности пор 10 6 , 10 8 , 6 . 10 8 , 10 9 и 10 10 пор/см 2 . По диаметру поры могут быть получены в широком диапазоне от 10 до 300 нм в зависимости от времени облучения пленки, температуры и концентрации раствора, а также времени травления. Толщина мембран может составлять от единиц до сотен микрон, диаметр как правило 13 мм. Для электроосаждения нанопроволок также могут использоваться мембраны из анодированного алюминия. Получение структуры в виде многослойных и гранулированных нанопроволок осуществляется исключительно методом электролити-ческого осаждения в поры мембран (рис.) из одного электролита как в потенциостатическом, так и в гальваностатическом импульсных режимах. Перед электроосаждением в поры для обеспечения электрического контакта на одной из сторон мембраны напыляется слой золота ~0,01 мкм (рис.).

Рис. Схематические изображения поликарбонатной мембраны и отдельной многослойной нанопроволоки (слева). Геометрия нанесения подслоя золота на мембрану (справа).

В отличие от электроосаждения в условиях плоской геометрии, когда вся поверхность катода подвергается воздействию электролита, при электроосаждении нанопроволок воздействию электролита подвергается только часть поверхности мембраны, называемая активной или истинной площадью осаждения. Ее можно рассчитать, зная количество пор на всей площади мембраны и площадь одной поры:

Рис. Типичная токовая кривая роста нанопроволок

Увеличение тока после точки В свидетельствует о начале выхода пленки поверх пор. Это соответствует номинальной толщине около 3,8 мкм. После этого начинает происходить слияние проволок на поверхности, и над проволоками возникают полусферические шапки. Толщина слоя меди примерно 30 нм, а толщина сплава Со-Ni 40 нм.

Рис. Схема установки для магниторезистивных измерений (гигантского магнетосопротивления)

Для проведения магниторезистивных измерений необходимо наличие верхнего проводящего контакта. Это достигается за счет осаждения некоторого количества материала поверх мембраны. После заполнения пор осаждаемое вещество начинает разрастаться в виде полусферических чаш, которые затем сливаются друг с другом (рис.)

В случае, когда поле параллельно оси нанопроволок, их петли гистерезиса характерны для перемагничивания вдоль оси легкого намагничивания. Если же внешнее поле перпендикулярно оси проволоки, то в этом случае для поворота всех моментов в этом направлении требуются намного большие поля, и в результате получается петля, характерная для намагничивания вдоль трудной оси.

Структура, магнитные и магниторезистивные свойства нанопроволок спин-клапанного типа. Среди магнитных наноматериалов особое место занимают многослойные (или мультислойные) структуры. В большой степени это связано с обнаруженным в них эффектом гигантского изотропного магнитосопротивления. Исследование этого явления, а также попытки разработчиков различных устройств магнитной микроэлектроники повысить величину изменения электросопротивления на единицу магнитного поля привели к появлению нового, более сложного семейства многослойных пленочных структур так называемого “спин-клапанного” типа . Они представляют собой уже периодическое чередование не двух, а трех и более слоев с различными магнитными параметрами . В этом случае процесс их перемагничивания анизотропен. При изменении прилагаемого внешнего магнитного поля по направлению вектора намагниченности, предварительно намагниченного до насыщения магнитожесткого слоя в диапазоне, меньшем его коэрцитивной силы, магнитомягкий слой будет перемагничиваться в этом направлении в поле ниже его коэрцитивной силы. А в противоположном направлении – в поле, большем его коэрцитивной силы. Эта разница в полях перемагничивания низко- и высококоэрцитивных слоев в многослойной структуре в противоположных направлениях и есть суть “клапанного” эффекта. Состояние многослойной структуры, когда магнитные моменты магнитомягких и магнитожестких слоев антипараллельны, является неустойчивым. И малое поле противоположной направленности приводит к скачкообразному перемагничиванию низкокоэрцитивных слоев. Именно поэтому и может быть достигнута высокая чувствительность магниторезистивного элемента.

Еще одним вариантом повышения величины магниторезистивного эффекта является изготовление многослойной структуры в виде нанопроволок. Это достигается исключительно методом импульсного электролитического осаждения в поры наномембран. Для нанопроволок легко реализуется геометрия магниторезистивного эффекта, когда электрический ток перпендикулярен границам раздела слоев в много-слойной структуре, что невозможно для обычных многослойных пленок с плоской геометрией. В этом случае все электроны проводимости вынуждены пересекать магнитные слои с периодически антипараллельной направленностью их магнитных моментов и, следовательно, эффект их рассеяния будет больше по сравнению с обычными многослойными структурами. Основная трудность заключается в том, что при варьировании потенциала осаждения (либо катодной плотности тока D K) необходимо подобрать такие условия осаждения (прежде всего состав электролита и режимы осаждения), когда лишь только одним изменением их (или D K) будет достигаться достаточно большая разница в составе и кристаллической структуре магнитных слоев и, следовательно, будет существенно различаться и их коэрцитивная сила. Указанным условиям могут удовлетворять пленки CoFeP и CoW, в которых содержание фосфора и вольфрама является функцией плотности тока. И, например, при малой плотности тока (D K ~ 10-20 мА/см 2) содержание фосфора достигает ~20-25 ат.%. При этом пленки CoFeP 25 являются аморфными магнитомягкими, а при содержании фосфора ~5-10 ат % (D K 70 мА/см 2) они поликристаллические и, соответственно, магнитожесткие. Подобное справедливо и для системы кобальт-вольфрам.

Для пишущих и считывающих головой обычно используют эффект гигантского магнетосопротивления (GMR), квантово-механический эффект, который обеспечил огромную емкость сегодняшних жестких дисков. Использование GMR
обеспечивает плотность памяти гораздо выше 100 гигабит на квадратный дюйм. В то время как в современных жестких дисках магнитные домены ориентированы в плоскости, у следующего поколения жестких дисков они будут располагаться перпендикулярно. Техника перпендикулярной записи (Рис. , внизу) обеспечит более плотную упаковку информации. Но она потребует более чувствительных записывающих и считывающих головок, которые могут быть изготовлены за счет еще более сложного эффекта туннельного магнетосопротивления (TMR). В этом смысле
компьютерные жесткие диски можно рассматривать как продукт нанотехнологий.

Рис. Эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) широко используется в жестких дисках. Seagate Technology LLC (сверху). Плотность хранения данных может быть увеличена за счет изменения ориентации магнитных областей. Перпендикулярная запись
обеспечивает более высокую плотность запаиси. VDI Technologiezentrum GmbH (внизу)

Ученые из IBM Research и ведущего европейского образовательного и научно-исследовательского центра ETH Zurich впервые в истории получили изображения формирования стабильной спиновой спирали в полупроводнике.

­
­
­
­

«Обычно подобные спины электронов быстро меняют и теряют свою ориентацию. Но нам впервые удалось найти способ выравнивания их свойств в регулярный цикл смены спинов»
­
­
­
­
­
­

Немного о спинтронике

Спинтроника (или спиновая электроника) - достаточно молодая область современной физики, привлекающая многих исследователей многообещающими практическими применениями.
Ее отличие от традиционной электроники заключается в том, что если в обычном электрическом токе перемещаются заряды, то в электронике нового поколения перемещаются спины электронов.
Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний − либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разно-направлены).


«Вращение» электрона и его верхней и нижней ориентации кодирует логические биты в системе. При кодировании битов ученые предлагают ориентироваться на физическое пространство, в котором находится электрон. Электрон, ось которого направлена условно вверх, принимают за логическую единицу, а электрон, ось которого направлена условно вниз - за логический ноль.

В чем состоит миссия спинтроники?
В ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.
В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется.
Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.
По словам ученых из IBM, электроны очень быстро меняют спины – на переключение тратится около 100 пикосекунд (1 пикосекунда – одна триллионная доля секунды). И в этом заключается основная проблема – 100 пикосекунд недостаточно, чтобы микросхемы успели зафиксировать изменение состояния в системе.

Несмотря ни на что

­
­

Исследователи из IBM разработали метод синхронизации электронов, увеличив время спина в 30 раз - до 1 наносекунды (что равняется циклу микропроцессора с частотой 1 Гигагерц).
­

­
­
­
­
­

Внимание ученых привлек ранее не описанный физиками факт – при вращении электронов в полупроводниках их спины перемещаются на десятки микрометров, при этом синхронно вращаясь, подобно вальсирующим парам.
­
­
­

«Если в начале круга в вальсе лица всех женщин обращены в одну сторону, то уже через некоторое время вращающиеся пары окажутся смотрящими в разных направлениях.
Теперь же мы получили возможность зафиксировать скорость вращения танцоров и привязать ее к направлению их перемещения. Получается идеальная хореография – лица всех танцующих женщин в определенной области площадки направлены в одну сторону».

В лабораториях IBM Research ученые использовали ультракороткие лазерные импульсы для наблюдения за перемещениями тысяч спинов электронов, которые были запущены во вращение одновременно в пределах сверхмалой области.
Исследователи IBM применили методику сканирующего микроскопа с временным разрешением и получили изображения синхронного «вальса» спинов электронов. Синхронизация вращения спинов электронов позволила наблюдать их перемещение на расстояния более 10 микрон (одной сотой миллиметра), что увеличило возможность использования спина для обработки логических операций – быстрой и экономной с точки зрения потребления энергии.
­

Причиной синхронного движения спинов является так называемое спин-орбитальное взаимодействие, физический механизм, который связывает спин с движением электрона. Экспериментальный полупроводниковый образец был изготовлен на основе арсенида галлия (GaAs) учеными из ETH Zurich. Арсенид галлия, полупроводник группы III/V, широко используется в производстве таких устройств, как интегральные микросхемы, инфракрасные светодиоды и высокоэффективные солнечные элементы.

Выход спиновой электроники из лабораторий на рынок по-прежнему остается чрезвычайно сложной задачей. Сегодняшние исследования осуществляются при очень низких температурах, при которых спины электронов минимально взаимодействуют с окружающей средой. В частности, описываемая здесь исследовательская работа проводилась учеными IBM при температуре 40 градусов Кельвина (-233 по Цельсию или -387 по Фаренгейту).
Но, в любом случае, новое открытие дает контроль над движением магнитных «зарядов» в полупроводниковых устройствах и открывает новые возможности и перспективы для создания малогабаритной и энергосберегающей электроники.

Теги: Добавить метки

Спинтроника — новое направление в микроэлектронике, базирующееся на использовании такой квантово-механической характеристики электронов, как спин. Устройства, созданные на ее основе, обещают решить многие и существующие, и ожидаемые в ближайшем будущем проблемы традиционной микроэлектроники: энергонезависимость, уменьшение энергопотребления, увеличение плотности логических элементов и скорости обработки данных. Вторую половину XX века без преувеличения можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями микропроцессоров, микроэлектроника в основном использует только одно свойство электрона — его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику — собственный угловой момент, или спин (и связанный с ним магнитный момент), — которая вплоть до недавнего времени не пользовалась особым вниманием разработчиков и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на авансцену выходит новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics — от spin transport electronics или spin-based electronics). Напомним, что во внешнем магнитном поле собственный магнитный момент электрона, обусловленный спином, ориентируется либо параллельно вектору магнитной индукции (вверх), либо антипараллельно (вниз). В устройствах, построенных на спиновом эффекте, используются, в частности, ферромагнетики. Поэтому прежде чем переходить к их (устройств) более детальному рассмотрению, опишем вкратце магнитные свойства этих материалов.

Ферромагнетиками называются вещества, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле. Это объясняется существованием так называемого обменного взаимодействия, связанного с перекрытием волновых функций электронов, принадлежащих соседним атомам кристаллической решетки, а также нескомпенсированных спиновых магнитных моментов валентных электронов. Именно обменное взаимодействие заставляет спины электронов ориентироваться параллельно или антипараллельно в зависимости от того, какое из состояний является энергетически более выгодным. В первом случае говорят о ферромагнетизме, а во втором — об антиферромагнетизме.

При температуре ниже так называемой точки Кюри ферромагнетик разбивается на домены самопроизвольной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности разных доменов произвольны и результирующая намагниченность всего тела может быть равной нулю. Во внешнем магнитном поле векторы намагниченности ориентируются в преимущественном направлении, создавая сильное внутреннее магнитное поле.

Магнитную структуру кристалла антиферромагнетика можно рассматривать как состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешеток численно равны, то спонтанная намагниченность не возникает, если нет, то она появляется (ферримагнетизм). Такими свойствами обладают, например, ферриты. При низких температурах магнитная восприимчивость антиферромагнетиков ничтожно мала, т. е. они практически не намагничиваются во внешнем магнитном поле.

Устройства, использующие спин-эффекты

Начало новой электроники, базирующейся на физических эффектах, обусловленных спином, относят к 1988 г., когда было открыто явление гигантской магниторезистивности (Giant Magneto Resistance — GMR). GMR наблюдается в искусственных тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные поля в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антипараллельны.

В основе устройств, использующих GMR, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 1. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", другими словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" — его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5—10 % выше, чем при параллельных.

Еще один тип спинового клапана можно построить, используя явление магнитного туннельного перехода (Magnetic Tunnel Junction — MTJ). Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора, обычно им служит окись алюминия (рис. 2). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20—40%.

Явления в полупроводниках традиционно описывались с квантово-механических позиций. Пришло время и для специальной теории относительности, поскольку в 1990 г. двое американских ученых, Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das), рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора (spin Field-Effect Transistor — spin FET), основанного на релятивистском эффекте. В обычном полевом транзисторе напряжение, прикладываемое к затвору, управляет величиной тока между истоком и стоком. В релятивистском полевом транзисторе истоком и стоком должны служить ферромагнетики с параллельно ориентированными спинами электронов, соединенные узким полупроводниковым каналом (рис. 3). Спины инжектируемых в исток электронов устанавливаются параллельно магнитным полям истока и стока. Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1 % от скорости света в вакууме. Величина тока регулируется посредством приложенного к затвору напряжения. Фокус состоит в следующем. Если перейти в неподвижную систему отсчета, связанную с электроном, то, согласно специальной теории относительности, в ней появляется магнитное поле, напряженность которого определяется (в гауссовой системе единиц) формулой
,
где — скорость движения электронов, — напряженность электрического поля, созданного приложенным к затвору потенциалом, а квадратные скобки обозначают векторное произведение. При достаточной величине напряженности магнитного поля (таким образом, скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается.

Это перспективные разработки, а если вернуться к эффекту GMR, то следует отметить, что сфера его применения расширяется. Кроме прописки в технологиях чтения жестких дисков, спиновые клапаны на GMR используются в гальванических изоляторах и MRAM (Magneto resistive RAM).

GMR-базированный гальванический изолятор выполняет ту же функцию, что и оптоэлектронный, обеспечивая развязку цепей по питанию и земляной шине. Его основными элементами являются плоская катушка и GMR-сенсор, встроенные в интегральную схему (рис. 4). Для передачи сигнала из одной цепи в другую по катушке пропускается ток. Созданное им магнитное поле воздействует на GMR-сенсор. Такой изолятор работает в 10 раз быстрее современных оптических и это еще не предел.

На рис. 5 приведена схема ячейки магниторезистивной памяти (Motorola), основанной на магнитном туннельном переходе. Для хранения информации MRAM использует явление гистерезиса, а для считывания — GMR. Она функционирует подобно полупроводниковой статической памяти (SRAM), однако ее важной особенностью является способность сохранять данные при выключении питания. Если такую память использовать в персональных компьютерах, то они не будут требовать выполнения довольно длительной процедуры загрузки при включении.

Рис. 5. Ячейка MRAM

Основными элементами ячейки памяти MRAM являются взаимно перпендикулярные разрядная (bit line) и числовая (word line) шины, между которыми располагается структура MTJ. При операции записи (рис. 5а) по шинам пропускается электрический ток, создающий магнитное поле, которое меняет направление намагниченности в свободном ферромагнетике. При операции чтения (рис. 5б) открывается развязывающий транзистор и ток проходит через структуру MTJ. Изменение сопротивления ячейки может быть интерпретировано как двоичные 0 или 1 . Такая память работает в 1000 раз быстрее традиционной EEPROM и не имеет ограничения по количеству циклов перезаписи.

Перспективные направления

Общим для всех устройств, описанных выше, является то, что в их основе лежит металл. Существенный недостаток такого подхода — невозможность усиливать сигналы. Очевидные металлические аналоги традиционным полупроводниковым транзисторам, в которых отток электрона из базы n-p-n транзистора позволяет десяткам других поступать от эмиттера в коллектор, сегодня отсутствуют. Найти материалы, которые обладали бы как свойствами ферромагнетиков, так и полупроводников, — давнишняя мечта исследователей. Но она труднодостижима: уж очень велико различие в кристаллической структуре и характере химических связей. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов, а с другой — легко интегрировались бы с традиционными полупроводниковыми устройствами. Идеальный ферромагнитный полупроводник должен иметь точку Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с n — и p -проводимостью в одном монокристалле. Сегодня большое внимание привлекают так называемые разбавленные магнитные полупроводники, сплавы, в которых некоторые атомы в случайном порядке заменяются атомами с магнитными свойствами, например Mn 2+ . Имеются теоретические предсказания, что для некоторых классов таких материалов точка Кюри будет выше комнатной температуры.

Несмотря на то что исследования по спинтронике проводятся во многих странах, до практических результатов еще достаточно далеко. Предстоит изучить особенности переноса спин-поляризованных электронов в различных материалах и через поверхности раздела, а также научиться генерировать их в большом количестве.

22 ноября 2012 в 16:41

Жесткие диски и спинтроника

• Компьютерное железо

Введение

По представлениям большинства людей вся современная электроника основана на использовании электрического тока, т.е. направленного движения электронов, ну или переноса заряда. В любой микросхеме огромная куча электронов трудится на наши блага. Они переносят сигналы, они хранят в памяти драгоценные для нас нули и единицы, делают все работу, чтобы наша жизнь была удобной и простой. Но помимо переноса заряда электроны обладают еще одним важнейшим свойством – спином. И это свойство вовсю эксплуатирует спинтроника.

Что такое спинтроника?

Спинтроника – научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Спинтроника - устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics).
Впервые термин «спинтроника» был использован в совместном сообщении Лабораторий Белла (да-да, тех самых Bell Labs) и ученый Йельского университета, датированного 30.07.1998. В нем впервые прозвучала идея использовать единичные атомы для хранения битов информации, а сами биты хранить в виде спинов электрона.

Вот везде я тут говорю, спин да спин, а что это?

Спин (от англ. spin – вращение, верчение) – собственный момент количества движения электрона не связанный с его движением в пространстве. Упрощая немного, спин можно представить как вращение электрона вокруг своей оси.

Вспомним немного математики и физики.
В классической физике у частицы, механический момент количества движения (или как еще говорят, в момент импульса), равен:

r – радиус-вектор частицы;
p – вектор импульса частицы.

При p = 0 , момент импульса классической частицы M = 0 . У электрона же при p = 0, M ≠ 0.
У электрона спин на может принимать два значения:


Рис. 1. Спины электронов

Вообще спин измеряется в единицах h (постоянной Планка), и говорят, что спин равен . Со спином связан собственный магнитный момент электрона.

Я думаю, что кучки математических знаков выше хватит, чтобы помучать немного читателей. А раз так, то не будем больше использоваться формулы.

В отличие от классических зарядов, создающих магнитный момент только при наличии их тока (как, например, в соленоиде), электрон имеет магнитный момент при нулевом импульсе. Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра некоторых атомов.

В спинтронных эффектах используются свойства ферримагнитных материалов. Это материалы, в состав которых входят атомы, обладающие магнитным моментом (например, Fe – железо, Со –кобальт, Ni – никель), причем при температуре ниже некоторой критической (температура Кюри), магнитные моменты атомов упорядочены относительно друг друга. При параллельном расположении спинов материалы называют ферромагнетиками, а при антипараллельном – антиферромагнетики.

В 1989 г. были исследованы структуры, состоящие из ферромагнитных и немагнитных слоев. Изучалась их проводимость. Взглянем на рисунок:

Рис.2. Трехслойная ферромагнитная структура

Как видно из рисунка, обе структуры состоят из трех слоев: ферромагнитных – с краев структуры и немагнитного слоя в середине. Реальным примером таких структур могут быть Fe-Cr-Fe (железо-хром-железо) или Co-Cu-Co (кобальт-медь-кобальт). Причем ширина немагнитного слоя составляет порядка 1 нм, а точнее ширина слоя должна быть меньше длины свободного пробега электрона, чтобы не было рассеяния и потери спина при его, электрона, движении. Проводимость в такой структуре возникает только в том случае, если намагниченности крайних слоев однонаправленны, что видно на правом рисунке. В противном же случае мы получаем «металлический изолятор».

И как это относится к HDD?

Смею верить, что всем, дочитавшим до этого места, не нужно рассказывать, что такое жесткий диск. Так как же вся жуть, приведенная выше, относится к жестким дискам? С помощью показанных выше принципов на наши с вами жесткие диски записывается информация. Представим себе расчлененный на куски HDD так, что от него остались только записывающая/считывающая головка да блин с данными. Примерно так, как на рисунке. Художник из меня аховый, поэтому я делаю все схематично.

Рис.3. HDD

Интерес представляет в рамках статьи только записывающая/считывающая головка. Я специально ее «позолотил» желтой краской (как в том курьезе с Петькой и Василием Ивановичем). Вообще, это не одно устройство в головке, а аж целых два: записывающая часть и считывающая часть. Взглянем на считывающую часть поближе:

Рис.4. Считывающая головка

Как видно, головка состоит из четырех слоев: железного, медного, кобальтового, и антиферромагнетика АФМ. АФМ слов, или как его еще называют, обменный слой, предназначен для фиксации магнитного поля второго слоя. Второй слой называется фиксирующим и у нас он сделан из кобальта. В нем магнитное поле всегда направлено в одну сторону. Третий слой – проводящий, обычно из меди, служит для разделения ферромагнитных слоев. Последний слой – чувствительный – тоже выполнен из ферромагнетика. В отличие от фиксирующего, направление его магнитного поля зависит от внешнего поля – поля ячейки. Ячейка жесткого диска содержит один бит информации. В зависимости от ориентации поля ячейки изменяется ориентация поля в чувствительном слое. Если ориентации полей в чувствительном и фиксирующем слоях совпадают, то ячейка, согласно рассмотренным выше принципам, увеличивает свою проводимость, т.е. начинает проводить ток. Если же ориентации полей противоположны, то получаем «металлический изолятор». Такой эффект изменения проводимости (ну или сопротивления, ведь это просто обратные величины) получил название GMR – Giant Magnetoresistive – эффект гигантского магнитоспротивления. GMR-эффект впервые был исследован в лабораториях IBM в конце 80х годов, но для его промышленной реализации потребовалось почти 10 лет.

Очень кружит голову тот факт, что такие сложные технологии окружают нас повсеместно. Продолжение следует.