Spintronics - Spintronics

Spintronika (a portmanteau význam rotace doprava elektronika ), známé také jako spinové elektroniky , je studium vnitřní rotace v elektronu a jeho přidružené magnetického momentu , kromě své základní elektronické poplatek, v polovodičových zařízení . Oblast spintroniky se týká spojky spinové náboje v kovových systémech; analogické efekty v izolátorech spadají do oblasti multiferroiků .

Spintronics se zásadně liší od tradiční elektroniky v tom, že kromě stavu nabití jsou elektronová otočení využívána jako další stupeň volnosti, což má dopad na účinnost ukládání a přenosu dat. Spintronické systémy se nejčastěji realizují ve zředěných magnetických polovodičích (DMS) a Heuslerových slitinách a jsou zvláště zajímavé v oblasti kvantové výpočetní techniky a neuromorfní výpočetní techniky .

Dějiny

Spintronics vzešla z objevů v 80. letech týkajících se spinově závislých jevů transportu elektronů v polovodičových zařízeních. To zahrnuje pozorování spinově polarizované elektronové injekce z feromagnetického kovu na normální kov od Johnsona a Silsbeeho (1985) a objev obří magnetorezistence nezávisle od Alberta Ferta a kol. a Peter Grünberg a kol. (1988). Původ spintroniky lze vysledovat v experimentech s tunelováním feromagnetu/supravodiče propagovaných společnostmi Meservey a Tedrow a počátečních experimentech na křižovatkách magnetických tunelů společností Julliere v 70. letech 20. století. Využití polovodičů pro spintroniku začal s teoretickým návrhem spin polem-tranzistory od Datta a Das v roce 1990 a elektrického dipólového spinové rezonance u Rashba v roce 1960.

Teorie

Hlavní článek: Spin (fyzika)

Spin elektronu je vnitřní moment hybnosti , který je oddělený od točivého momentu vzhledem k jeho orbitálním pohybem. Velikost projekce spinu elektronu podél libovolné osy je , což znamená, že elektron funguje jako fermion podle věty o spinové statistice . Stejně jako orbitální moment hybnosti má rotace související magnetický moment , jehož velikost je vyjádřena jako

.

V pevné látce mohou spiny mnoha elektronů působit společně a ovlivnit magnetické a elektronické vlastnosti materiálu, například jej obdařit trvalým magnetickým momentem jako ve feromagnetu .

V mnoha materiálech jsou spiny elektronů stejně přítomny ve stavu nahoru i dolů a žádné dopravní vlastnosti nejsou závislé na spinu. Spintronické zařízení vyžaduje generování nebo manipulaci se spinově polarizovanou populací elektronů, což má za následek nadbytek spin up nebo spin down elektronů. Polarizaci jakékoli vlastnosti X závislé na spinu lze zapsat jako

.

Polarizace čisté rotace může být dosaženo buď vytvořením rovnovážného energetického rozdělení mezi spin up a spin down. Metody zahrnují uvedení materiálu do velkého magnetického pole ( Zeemanův efekt ), energii výměny přítomnou ve feromagnetu nebo vynucení systému z rovnováhy. Doba, že takový nerovnovážné populace může být udržována je známý jako Doba rotace, .

V difuzivním vodiči může být délka spinové difúze definována jako vzdálenost, na kterou se může šířit nerovnovážná spinová populace. Životnost vodivých elektronů v kovech je relativně krátká (obvykle méně než 1 nanosekunda). Důležitá oblast výzkumu je věnována prodloužení této životnosti na technologicky relevantní časové lhůty.

Zápletka ukazující roztočení, roztočení a výslednou populaci polarizovaných elektronů. Uvnitř rotačního injektoru je polarizace konstantní, zatímco mimo injektor se polarizace exponenciálně rozpadá na nulu, když se populace rotace nahoru a dolů dostanou do rovnováhy.

Mechanismy rozpadu pro spinově polarizovanou populaci lze široce klasifikovat jako spin-flip scattering a spin dephasing. Rozptylové otáčení je proces uvnitř tělesa, který nešetří otáčení, a proto může přepínat příchozí stav roztočení do odchozího stavu roztočení dolů. Odstředění odstřeďování je proces, při kterém se populace elektronů se společným spinovým stavem v průběhu času stává méně polarizovanou v důsledku různých rychlostí precese elektronového spinu . Ve stísněných strukturách lze potlačit odstředění odstřeďování, což vede k životnostem odstředění v milisekundách v polovodičových kvantových tečkách při nízkých teplotách.

Supravodiče mohou vylepšit centrální efekty ve spintronice, jako jsou efekty magnetorezistence, životnosti odstřeďování a bezproudových spinových proudů.

Nejjednodušší metodou generování spinově polarizovaného proudu v kovu je procházet proudem přes feromagnetický materiál. Mezi nejběžnější aplikace tohoto efektu patří zařízení s obří magnetorezistencí (GMR). Typické zařízení GMR se skládá z alespoň dvou vrstev feromagnetických materiálů oddělených mezerou. Když jsou dva vektory magnetizace feromagnetických vrstev vyrovnány, elektrický odpor bude nižší (takže při konstantním napětí teče vyšší proud), než když jsou feromagnetické vrstvy zarovnané. To představuje snímač magnetického pole.

V zařízeních byly použity dvě varianty GMR: (1) proud v rovině (CIP), kde elektrický proud proudí rovnoběžně s vrstvami a (2) proud kolmo na rovinu (CPP), kde je elektrický proud teče ve směru kolmém na vrstvy.

Další spintronická zařízení na bázi kovu:

  • Tunelová magnetorezistence (TMR), kde je transport CPP dosažen pomocí kvantově mechanického tunelování elektronů přes tenký izolátor oddělující feromagnetické vrstvy.
  • Krouticí moment pro přenos otáček , kde se k řízení směru magnetizace feromagnetických elektrod v zařízení používá proud spinově polarizovaných elektronů.
  • Logická zařízení s rotací vlny nesou informace ve fázi. Interference a rozptyl spinových vln mohou provádět logické operace.

Spintronicko-logická zařízení

Energeticky nezávislá zařízení spinové logiky, která umožňují škálování, jsou podrobně zkoumána. Byla navržena logická zařízení na bázi krouticího momentu, která využívají spiny a magnety pro zpracování informací. Tato zařízení jsou součástí průzkumné cestovní mapy ITRS . Aplikace logické paměti jsou již ve fázi vývoje. Článek z roku 2017 s recenzemi najdete v Materials Today .

Aplikace

Čtecí hlavy magnetických pevných disků jsou založeny na efektu GMR nebo TMR.

Motorola vyvinula první generaci 256  kb magnetorezistivní paměti s náhodným přístupem (MRAM) založenou na jediné křižovatce magnetického tunelu a jediném tranzistoru, který má cyklus čtení/zápisu kratší než 50 nanosekund. Everspin od té doby vyvinul 4  Mb verzi. Jsou vyvíjeny dvě techniky MRAM druhé generace: tepelně podporované přepínání (TAS) a točivý moment (STT).

Další konstrukce, paměť závodní dráhy , kóduje informace ve směru magnetizace mezi stěnami domény feromagnetického drátu.

V roce 2012 byly trvalé spirálové spirály synchronizovaných elektronů vyrobeny tak, aby přetrvávaly déle než nanosekundy, což je 30násobný nárůst oproti dřívějšímu úsilí a déle, než je trvání moderního cyklu hodin procesoru.

Polovodičová spintronická zařízení

Dopované polovodičové materiály vykazují zředěný feromagnetismus. V posledních letech byly zředěné magnetické oxidy (DMO) včetně DMO na bázi ZnO a DMO na bázi TiO 2 předmětem mnoha experimentálních a výpočetních zkoumání. Neoxidové feromagnetické polovodičové zdroje (jako arzenid galia dotovaný manganem (Ga, Mn) As ) zvyšují odpor rozhraní pomocí tunelové bariéry nebo pomocí horké elektronové injekce.

Detekce roztočení v polovodičích byla řešena několika technikami:

  • Rotace Faraday/Kerr přenášených/odražených fotonů
  • Kruhová polarizační analýza elektroluminiscence
  • Nelokální rotační ventil (převzato z práce Johnsona a Silsbeeho s kovy)
  • Filtrování balistických spinů

Druhá technika byla použita k překonání nedostatku interakce spin-orbita a problémů s materiály k dosažení rotačního transportu v křemíku .

Vzhledem k tomu, že vnější magnetická pole (a rozptylová pole od magnetických kontaktů) mohou v polovodičích způsobit velké Hallovy efekty a magnetorezistenci (které napodobují efekty spinového ventilu ), jediným přesvědčivým důkazem transportu spinů v polovodičích je ukázka precese spinu a odfázování v magnetickém poli nekolineární k vstřikované orientaci rotace, nazývané Hanleův efekt .

Aplikace

Aplikace využívající spinově polarizovanou elektrickou injekci ukázaly snížení prahového proudu a regulovatelný cirkulárně polarizovaný koherentní světelný výstup. Mezi příklady patří polovodičové lasery. Budoucí aplikace mohou zahrnovat tranzistor na bázi spinu, který má výhody oproti zařízením MOSFET, jako je strmější podprahový sklon.

Magnetické tunel tranzistor : Magnetický-tunel tranzistor s jednou základní vrstvou má následující svorky:

  • Vysílač (FM1): Vstřikuje spinově polarizované horké elektrony do základny.
  • Základna (FM2): Na základně probíhá rozptyl závislý na rotaci. Slouží také jako rotační filtr.
  • Sběratel (GaAs): Na rozhraní je vytvořena Schottkyho bariéra . Sbírá pouze elektrony, které mají dostatek energie k překonání Schottkyho bariéry, a když jsou v polovodiči k dispozici stavy.

Magnetoproud (MC) je uveden jako:

A převodový poměr (TR) je

MTT slibuje vysoce spinově polarizovaný zdroj elektronů při pokojové teplotě.

Paměťová média

Antiferomagnetická paměťová média byla studována jako alternativa k feromagnetismu , zejména proto, že s antiferomagnetickým materiálem mohou být bity uloženy stejně jako s feromagnetickým materiálem. Namísto obvyklé definice 0 ↔ „magnetizace směrem nahoru“, 1 ↔ „magnetizace směrem dolů“ mohou být stavy např. 0 ↔ „vertikálně se střídající spinová konfigurace“ a 1 ↔ „horizontálně se střídající spinová konfigurace“.).

Hlavní výhody antiferomagnetického materiálu jsou:

  • necitlivost vůči poruchám poškozujícím data zbloudilými poli v důsledku nulové čisté externí magnetizace;
  • žádný vliv na blízké částice, což znamená, že antiferomagnetické prvky zařízení nebudou magneticky rušit sousední prvky;
  • mnohem kratší spínací časy (antiferomagnetická rezonanční frekvence je v rozsahu THz ve srovnání s feromagnetickou rezonanční frekvencí GHz);
  • široký sortiment běžně dostupných antiferomagnetických materiálů včetně izolátorů, polovodičů, polokovů, kovů a supravodičů.

Provádí se výzkum, jak číst a zapisovat informace do antiferomagnetické spintroniky, protože jejich nulová nulová magnetizace to ve srovnání s konvenční feromagnetickou spintronikou ztěžuje. V moderním MRAM byla detekce a manipulace feromagnetického řádu magnetickými poli do značné míry opuštěna ve prospěch efektivnějšího a škálovatelnějšího čtení a zápisu elektrickým proudem. V antiferomagneticích se zkoumají také metody čtení a zápisu informací podle proudů, nikoli podle polí, protože pole jsou stejně neúčinná. Metody psaní, které se v současné době zkoumají v antiferomagnetikách, jsou prostřednictvím točivého momentu přenosu a točivého momentu na spinové dráze z efektu spin Hall a efektu Rashba . Zkoumá se také čtení informací v antiferomagnetikách prostřednictvím efektů magnetorezistence, jako je magnetorezistence tunelu .

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy