Спинтроника это новое направление прикладных исследований развивается на стыке физики, химии и материаловедения и сулит перерасти в новый технологический уклад, потеснив полупроводниковую микроэлектронику. Объединив два слова «спин» и «электроника» - то есть спиновая электроника - в одно, ученые обозначили перспективное мультидисциплинарное направление науки и техники термином «спинтроника» (spintronics).

Что такое спин?

Спин - дословно, с английского, «вращение». Он может равняться либо одной второй (спиновое число электрона Je = 1/2), и тогда направлен вверх, либо минус одной второй (спиновое число электрона Je = –1/2), и в этом случае направлен вниз. «Спин можно изобразить как волчок, - поясняет начальник сектора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ Олег Теряев. - На языке физики и математики спин - это вектор собственного момента импульса частицы, характеристика ее вращения вокруг собственной оси. Если представить частицу как теннисный мяч, то стенка мяча будет вращаться со скоростью больше скорости света. В мире больших объектов это невозможно. Поэтому считается, что спин - это такое свойство, у которого нет аналогов в макромире. Если заряд электрона чувствителен к электрическому полю, то спин электрона чувствителен к магнитному полю. Магнитное поле может менять и направление спина, и его численное значение.»

Спинтроника, как и электроника, основана на свойствах элементарной частицы - электрона. Если электроника базируется на свойствах электрического заряда электрона, то спинтроника - на свойствах спина электрона. Свойства спина известны физикам уже довольно давно - почти сто лет, но только в конце XX века они смогли найти ключ к его использованию.

Таинственный спин в 1988 году открылся человечеству в реальной жизни в виде уникального явления: эффекта магнитосопротивления в многослойных магнитных структурах. Проще говоря, ученые обнаружили, что под воздействием слабого магнитного поля в трехслойных пленках нанотолщины, составленных из разных металлов, то появляется, то исчезает электрический ток. Открытие назвали гигантским магнитосопротивлением (ГМС, в англоязычной литературе - GMR), а многослойные металлические конструкции с ГМС поименовали спиновыми вентилями.

За годы, прошедшие с момента открытия ГМС, физики и химики успели создать и исследовать около 11 видов спиновых вентилей с различной структурой. Добавили тонкую прослойку рутения - повысили термостабильность сенсоров. Применили кобальтовый феррит в качестве изолирующего магнито-жесткого слоя - уменьшили шунтирующий эффект и повысили величину ГМС. Ввели в структуру нанооксидные слои и антиферромагнетики - увеличили магниторезистивное отношение и чувствительность спинового вентиля.

Исследования ГМС-конструкций привели еще к одному типу материалов для спинтроники - туннельным магнитным структурам с эффектом туннельного магнитосопротивления (ТМС, в англоязычной литературе - TMR).

Поскольку многослойные ГМС- и ТМС-конструкции имеют очень высокую чувствительность и наноразмеры, то их сразу же применили в считывающих головках жестких дисков с плотностью записи свыше 100 Гбит/дюйм2. Основу головки считывания составляют три слоя: магнитомягкий, немагнитный, магнитожесткий. Намагниченность жесткого материала зафиксирована, а магнитомягкого материала может меняться внешним полем - битом информации.

Мгновенная, экономная память

Наногетероструктуры с магнитным туннельным переходом догадались использовать и как базовые элементы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM имеет большие преимущества по сравнению с энергонезависимыми носителями информации на полупроводниковой основе. Время выборки данных у MRAM - менее 10 нс, что в 5 раз меньше, чем у флэш-памяти, а время записи - меньше 2 нс, то есть на три порядка меньше, чем у флэш-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти в два раза меньше, чем у флэш- и оперативной памяти DRAM. Таким образом, использование MRAM в микропроцессорах радикально уменьшает их размеры при увеличении количества и плотности элементов, повышает быстродействие, существенно экономит энергию и снимает проблему охлаждения элементов памяти: они не перегреваются.

Разработки MRAM уже больше десяти лет ведутся исследовательскими центрами компаний Freescale (Motorola), IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, Samsung вместе с Hynix, а также NEC совместно с Toshiba.

В Японии в 2010 году ведущим разработчиком технологий MRAM стал Центр спинтронных микропроцессоров университета Тохоку (Center for Spintronics Integrated Systems, Tohoku University). Он объединил для усиленного технологического рывка более 20 японских и американских компаний-производителей микрочипов.

Цель сотрудничества: к концу финансового 2016 года разработать надежный и экономически эффективный способ массового производства чипов памяти нового поколения STT-MRAM (на основе второго поколения технологии туннельного магнитосопротивления Spin Torque Transfer - перенос момента спина), призванных заменить нынешние чипы DRAM. Среди участников проекта - третья в мире по объему производства микропроцессорной техники компания Tokyo Electron , мировой лидер по выпуску полупроводниковых плат Shin-Etsu Chemical , японский производитель микрочипов Renesas Electronics , японский концерн-гигант по производству электронной техники Hitachi , американская компания Micron Technology (второй в мире производитель элементов памяти DRAM). В Центре уже получены тестовые образцы чипов памяти нового типа. В серийное производство их обещают запустить к 2018 году.

В настоящее время серийно MRAM-чипы выпускает компания Everspin, учрежденная Freescale (бывшей Motorola). С ее конвейеров уже сошло около 10 миллионов новых чипов памяти объемом 512 Кб и 2 Мб. Сегодня наиболее востребованы в Everspin MRAM-чипы объемом 256 Кб, 1 Мб и 4 Мб. Самый большой объем памяти элементов MRAM, изготавливаемых Everspin, составляет 16 Мб. Они работают в температурных диапазонах от –40 до +85 градусов Цельсия. Цена одного элемента MRAM объемом 4 Мб - $11.

На магниторезистивную память возлагаются большие надежды

Компания Everspin предлагает их использовать для аэрокосмических и военных коммуникационных, информационных и управляющих систем, систем безопасности и автономных систем регистрации данных («черные ящики», замена устройств памяти на аккумуляторных батареях). Их производство в будущем ориентировано на применение в цифровых фотоаппаратах, ноутбуках, смарт-картах, мобильных телефонах, персональных компьютерах и прочей бытовой технике.

В России компания «Крокус Наноэлектроника» - совместное предприятие «Роснано» и Crocus Technology - запустила производство магниторезистивной памяти по технологии второго поколения TAS (Thermal Assisted Switching, термическое переключение) MLU (Magnetic Logic Unit, магнитная логическая ячейка).

Технологию изготовлениея пластин с размером ячейки 90 нм совместно разработали американские компании Crocus Technology и IBM. Производство, мощность которого должна составить 500 пластин в неделю, размещено в технополисе «Москва» на территории бывшего АЗЛК.

Технополис «Москва» - территория бывшего мос­ковского автомобилестроительного завода, ныне превращенная в площадку для высокотехнологичных частных предприятий. Одно из них - «Крокус Наноэлектроника» - занимается выпуском магниторезистивной памяти по технологии второго поколения.

Гигантское магнитосопротивление

Гигантское магнитосопротивление открыто в трехслойных металлических пленках железо-хром-железо. При толщине слоев железа в 3 нм толщина слоя хрома между ними варьировалась в экспериментах от 0,9 до 3 нм. Железо является ферромагнетиком, а хром - немагнитным металлом. Когда спины электронов проводимости обоих ферромагнитных слоев выстраивались параллельно, слой хрома пропускал через себя электрический ток. Стоило спинам свободных электронов в ферромагнитных слоях выстроиться антипараллельно, как в хромовой прокладке появлялось гигантское сопротивление и электрический ток практически исчезал. То есть слоистая структура с гигантским магнитосопротивлением работала как диод-выпрямитель. Поэтому многослойные структуры с эффектом ГМС назвали спиновыми вентилями. Обычно в спиновом вентиле один ферромагнетик является магнитожестким (с фиксированной намагниченностью), а другой - магнитомягким, способным менять направление спина под воздействием малого внешнего магнитного поля, что обеспечивает высокую чувствительность таких структур.

Туннельное магнитосопротивление

В основе работы ячеек магниторезистивной оперативной памяти лежит эффект туннельного магнитного сопротивления

Многослойные материалы с эффектом туннельного магнитного сопротивления (с туннельным магнитным переходом, в английской литературе MTJ - Magnetic Tunnel Junction) похожи на ГМС-конструкции. Это тоже «сэнд­вичи», в которых слои ферромагнетиков (металлов или манганитов) разделены немагнитным материалом. Только этот немагнитный материал является не металлом, как в ГМС, а диэлектриком - изолятором, например оксидом алюминия. Слой изолятора должен быть настолько тонок (< 2 нм), чтобы электроны ферромагнетиков могли просачиваться сквозь этот барьер. Такой процесс называется туннелированием и обусловлен волновой природой электрона. Вероятность туннелирования зависит от длины волны или энергии электрона. В ферромагнитном материале энергия электронов с ориентацией спина вверх или вниз различна, поэтому туннельный эффект - спин-зависимый: спины ферромагнитных слоев параллельны - проводимость магнитного туннельного перехода велика; спины антипараллельны - вероятность туннелирования мала. Максимальная величина магниторезистивного эффекта в ТМС - около 50% при комнатной температуре.

Чип памяти из 12 атомов

В исследовательском центре корпорации IBM создали кубит памяти (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере), состоящий из 12 атомов антиферромагнетика (вещества, в котором магнитные спины атомов направлены противоположно и равны по значению). Для сравнения: современный жесткий диск использует около миллиона атомов для хранения одного бита информации.

Ферромагнетики хорошо работают в магнитных накопителях информации, но главным препятствием на пути к их миниатюризации до атомарных размеров является взаимодействие соседних битовых элементов памяти друг с другом. Намагниченность одного битового элемента памяти может сильно влиять на его соседа.

Так магнитные спины 12 атомов антиферромагнетика представляют ноль или единицу

Ученые из IBM Research применили сканирующий туннельный микроскоп для формирования группы из 12 атомов антиферромагнетика, сохранявших бит данных в течение нескольких часов при низкой температуре. Используя присущее этим атомам свойство изменения направлений магнитного спина, ученые продемонстрировали способность компоновать соседние магнитные биты гораздо ближе друг к другу, чем это было возможно ранее. Это позволило значительно увеличить плотность записи/хранения магнитной памяти без нарушения состояния соседних битов.

Все для фронта

Практически все разработки в области спинтроники одновременно с гражданским предназначением сразу отрабатываются и в направлении военной тематики.

В США исследователи Университета штата Северная Каролина придумали, как с помощью спинтроники сделать сенсорные датчики умнее. Наносекундными лазерными импульсами они нанесли диоксид ванадия на кремниевую подложку, чтобы получившийся материал стал магнитным. Диоксид ванадия используют для изготовления инфракрасных датчиков. Находка группы ученых из университета Северной Каролины позволила объединить инфракрасный магнитный датчик с микропроцессором в одном монокристалле. Датчик стал работать быстрее и энергоэкономнее. Интеллектуальные инфракрасные датчики с магнитными свойствами предназначены для использования в военных целях в спинтронных устройствах следующего поколения. В числе соавторов разработки студенты и аспиранты Университета, сотрудники корпорации Intel и Исследовательского бюро Армии США.

Исследовательские лаборатории, работающие по армейским контрактам, изыскивают способы обеспечения работы сложной современной электроники и прецизионной механики в самых суровых условиях, будь то пыльные бури Ближнего Востока или ледяные пустыни Арктики

Инженерный центр исследований и разработки автобронетанковой техники (TARDEC) Армии США в сотрудничестве с учеными-исследователями из Оклендского университета развивает спинтронику, ожидая значительного прогресса в технологиях СВЧ, сенсорных сетей и систем связи. Армия США рассчитывает на спинтронику в разработке решений низкоэнергетического электропитания для жизнеобеспечения боевых частей на значительном удалении от мест цивилизации и в суровых условиях эксплуатации, подобных Ираку и Афганистану. Достижения спинтроники должны найти самое широкое применение в вооруженных силах США: обеспечить солдат маломощными источниками энергии, боевыми и тактическими машинами, многофункциональными антеннами, робототехникой, низкоэнергетическими системами радиорелейной связи и «умной броней».

Так, технология Spin Torque Transfer использует поляризованный по спину транспортный ток через многослойную наноструктуру для манипуляции ее магнитным состоянием. Эффект переноса спина может вызывать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика с частотами, лежащими в СВЧ-диапазоне. Такая прецессия может стать источником излучения электромагнитных СВЧ-волн, частотой которых можно управлять и при помощи тока, и посредством магнитного поля. По сути, речь идет о возможности создания генераторов СВЧ-диапазона, работающих на абсолютно новых принципах.

Для военных приложений сенсорные технологии должны быть более чувствительными и гораздо более реактивными, и нам удалось Джей Нараян (Jay Narayan), профессор кафедры материаловедения и инжиниринга Университета штата Северная Каролина

Видимо, эту возможность использует группа исследователей TARDEC в сотрудничестве с физиком-теоретиком Оклендского университета профессором Андреем Славиным. При поддержке пилотной программы Армии США по спинтронике они с 2008 года изучают феномен генерации микроволнового излучения микроволновыми осцилляциями намагниченности спин-поляризованного тока в наноразмерных многослойных наноструктурах. Группа призвана разработать практические методы контроля микроволновых генераторов с помощью магнитного поля, а ее технологические разработки должны быть переданы в несколько научных и технологических военных программ, включая микро- и наноэлектронику, беспроводные коммуникации, сбор энергии и радиационно-устойчивые материалы.

Эксперименты исследовательской группы Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета с «плащом-невидимкой» толщиной всего 70 микрон. Исследователи утверждают, что такое покрытие поглощает 99,9% падающего на него света.

Исследовательская группа Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета занята разработкой «плаща-невидимки». Она предложила маскирующую поверхность, которая работает в видимом диапазоне для произвольной формы трехмерных объектов большой площади. «Плащ» представляет собой плоский ковер, состоящий из низкой плотности леса углеродных нанотрубок, которые могут визуально сжимать произвольные трехмерные объекты и превращать их в невидимые двухмерные. Невидимость наблюдалась невооруженным глазом для неполяризованного света во всем видимом диапазоне. Маскировался объект в 100000 раз больший, чем длина волны. Авторы утверждают, что их подход, основанный на совершенном поглощении, не ограничивается ковром из углеродных нанотрубок и может быть применен к более широкому диапазону частот - от ультрафиолета до терагерц, причем для сколь угодно больших объектов. Свою версию плаща-невидимки они предлагают и для объяснения черноты космоса.

Рассмотрим теперь, что происходит на контакте ферромагнетика с полупроводником (рис. 1.17). Поскольку концентрация носителей заряда в полупроводнике намного меньше, чем в ферромагнитном металле, то из последнего в полупроводник диффундируют намного больше электронов. Динамическое равновесие устанавливается лишь тогда, когда на контакте сформируется значительный потенциальный барьер – "барьер Шоттки" (рис. 1.17,a). Из-за этого в области полупроводника, прилегающей к контакту, имеет место значительное искривление зон (валентной, запрещенной и зоны проводимости).

Рис. 1.17.

На рисунке: E B – верхний край валентной зоны; E П – нижний край зоны проводимости; E Ф – уровень Ферми

Когда к контакту приложено небольшое напряжение U ("+" к полупроводнику), мало что изменяется. Сквозь барьер Шоттки электрический ток не течет до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, близкой к высоте барьера. Тогда становится возможным туннелирование электронов сквозь узкий барьер (рис. 1.17,б).

Поляризованные электроны из ферромагнетика входят в полупроводник с энергией, намного превышающей тепловую. Такие "горячие" электроны очень интенсивно рассеиваются и быстро теряют ориентацию своих спинов. Поэтому инжекция спин-поляризованного электрического тока из ферромагнитного металла в полупроводник оказывается очень неэффективной .

Более эффективным в этом плане оказалась структура "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник" (рис. 1.17,в). Искривление зон в полупроводнике, отделенном от металла диэлектриком, незначительно. Если толщина диэлектрика очень мала (~1 нм), то уже при небольших напряжениях начинается туннелирование. Инжектированные спин-ориентированные электроны входят в полупроводник не такими "горячими", как в случае барьера Шоттки. И поэтому время их спин-релаксации значительно больше. Именно поэтому, например, в спин-транзисторе с полупроводниковой базой (рис. 1.6) между полупроводником и ферромагнетиками используют сверхтонкие туннельные переходы (на рис. 1.6 – из нитрида кремния).

Используя сверхтонкий туннельный переход, в 2007 г. на примере спин-транзистора, структура которого показана на рис. 1.18 , было установлено, что инжектированные в высокочистый кремний спин-поляризованные электроны могут иметь довольно большое время спин-релаксации и диффундировать на значительные (в масштабах нано- и даже микромира) расстояния – до 350 мкм

Рис. 1.18.

На пластину высокочистого кремния (Si (пл.)) толщиной 350 мкм сверху был нанесен слой металлизации (Al/Cu ) толщиной 10 нм, сверхтонкий туннельный слой Al 2 O 3 , слой ферромагнетика (CoFe) толщиной 10 нм и металлизация из алюминия (Al) . Эта структура выполняла роль эмиттера спин-поляризованных электронов. Снизу на пластину кремния (Si (пл.)) были нанесены слои ферромагнетика (NiFe) и меди (Cu) оба толщиной 4 нм. На последнем был выращен слой кремния n -типа (n-Si) и омический контакт из индия (In) .

Когда на эмиттер подавалось напряжение U Э, из ферромагнетика (CoFe) в кремний через сверхтонкий туннельный барьер (Al 2 O 3 и тонкий слой металлизации (Al/Cu) инжектировались электроны проводимости со спинами, ориентированными в направлении намагниченности ферромагнетика. Под действием напряжения U К1 , приложенного к коллекторному слою ферромагнетика (NiFe) , эти электроны дрейфуют сквозь пластину кремния. Время их спин-релаксации и длина диффузии оказались достаточными, чтобы заметная их часть прошла к коллектору. Направление ориентации спинов можно было определить, изменяя направление намагниченности "свободного" ферромагнетика. В этом случае ток коллектора резко уменьшался. Слой кремния n -типа (n-Si) использовался для дополнительного усиления и более точного измерения сигналов .

Ферромагнитные полупроводники

Туннельный переход, улучшая условия инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник, все же создает повышенное электрическое сопротивление и требует увеличенных рабочих напряжений. Поэтому ученые обратили особое внимание на возможную альтернативу – на использование в качестве источника спин-поляризованного тока не металлических, а полупроводниковых ферромагнетиков – т.н. ферромагнитных полупроводников (ФП). Еще в 70-х годах ХХ в. изучались такие ФП, как халькогениды европия и шпинели типа CdCr 2 Se 4 [Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. – М.: Наука. – 1979. – 431 с.]. Однако они обнаруживали ферромагнитные свойства лишь при низких температурах.

В последние два десятилетия ХХ в. интенсивно изучались т.н. "разбавленные магнитные полупроводники" (РМП, англ. diluted magnetic semiconductors, DMS). Это – классические полупроводники типа A 2 B 6 и A 3 B 5 , сильно, до максимально возможной растворимости, легированные атомами переходных ("магнитных") металлов, чаще всего марганца (Mn – поскольку он имеет наибольшую растворимость). Обменное взаимодействие электронов из частично заполненных d- и f- оболочек магнитных ионов с зонными носителями заряда основного полупроводника существенно изменяет свойства последнего и приводит к появлению не только ферромагнетизма, но и многих новых явлений, которые могут быть перспективными для практических применений. Однако у большинства таких РМП температура Кюри оказалась ниже комнатной (напр., у Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 K – в зависимости от технологии изготовления; у Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 80 K). И только у широкозонных полупроводников температура Кюри оказалась выше комнатной (у Ga 1-x Mn x N , напр., TK = 400 K). У GaN , легированного гадолинием (магнитный момент его атома равен 8 магнетонам Бора), тонкие пленки становятся ферромагнитными даже в случае, когда один атом гадолиния приходится почти на миллион ионов галлия и азота. Позднее оказалось, что, используя дополнительные легирующие элементы (Zn, C d и др.), можно существенно повысить температуру Кюри также и узкозонных полупроводников (напр., на основе InSb-Mn: Zn, Cd удается получить непрерывный ряд РМП с TK = 320-400 K).

В последнее десятилетие синтезируется и изучается значительно более широкий спектр магнитных полупроводников. Ферромагнитные свойства при температурах выше комнатной выявлены даже у таких классических полупроводников, как кремний и германий, легированных марганцем или другими „магнитными" атомами. Здесь многое зависит от технологии легирования и от применения дополнительных легирующих элементов.

На контакте ферромагнитного полупроводника с обычным полупроводником такого же типа проводимости не возникает значительных барьеров (рис. 1.19,а,б). Если ФП и обычный полупроводник имеют разные типы проводимости, то возникает р-п -переход, прохождение электрического тока сквозь который возможно лишь в одном направлении (рис. 1.19,в,г). На рис. 1.19 кроме валентных зон (E В1 и E В2) и зон проводимости (E П1 и E П2) условно показаны также зоны d- и f- электронов (E fd), которые обычно также присутствуют в ферромагнитных полупроводниках. В зависимости от их положения относительно уровня Ферми (E Ф) они могут быть частично или полностью заполненными. Даже если они заполнены частично, электропроводность по таким зонам ограничена, так как f- и d- электроны имеют малую подвижность (большую эффективную массу).

Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников оказалась намного эффективней, чем из ферромагнитных металлов, и степень его спин-поляризации может быть намного выше – вплоть до 100% .

Рис. 1.19.

В последнее десятилетие активно синтезируются и изучаются также ферромагнитные полупроводниковые нанокомпозитные материалы, в состав которых входят магнитные структуры с пониженной размерностью – наночастицы, ферромагнитные нанопроволоки, сверхтонкие ферромагнитные пленки, представляющие собой квантовые плоскости. Температуры Кюри для таких нанокомпозитных полупроводников могут существенно отличаться от температуры Кюри соответствующего „чистого" полупроводника. Кроме того, появляются возможности значительно изменять свойства системы с помощью внешнего магнитного поля

Спинтронные светодиоды

Используя эти достижения, удалось создать, например, прототипы спинтронных светодиодов и спиновых аккумуляторов.

Спинтронные светодиоды на основе -перехода в отличаются тем, что их излучение циркулярно поляризовано. Это связано с тем, что в область гетероперехода, где происходит рекомбинация, в отличие от обычных светодиодов инжектируются спин-поляризованные электроны проводимости или спин-поляризованные "дырки". В AlGaAs (в GaAs и в других полупроводниках этой группы) разрешены оптические переходы при рекомбинации электронов, имеющих спин +1/2, лишь с дырками со спином –1/2, или наоборот – электронов, имеющих спин –1/2, лишь с дырками со спином +1/2. Поэтому фотоны, которые при этом излучаются, имеют спин ±1, т.е. являются право- или лево-поляризованными. Это – чисто квантовый эффект. Динамика вращения электрического вектора в такой циркулярно поляризованной световой волне показана на рис. 1.20 .

При поглощении циркулярно поляризованного света действуют те же самые правила отбора. В результате этого атомы, поглощающие циркулярно поляризованный фотон, переходят в состояния с магнитным квантовым числом, отличающимся на ±1 от исходного состояния. В ряде новейших технологий, о которых мы здесь не рассказываем, это свойство циркулярно поляризованного света используется для "оптического намагничивания" ансамблей атомов или для их "оптической накачки" – создания инверсной заселенности возбужденных состояний атомов.. На подложке из арсенида галлия p + (p + -GaAs ) последовательно нанесены слои GaAs:Be (20 нм), наночастицы ферромагнитного полупроводника MnAs диаметром около 3 нм, распределенные в матрице арсенида галлия толщиной 10 нм, туннельный барьер из арсенида алюминия (AlAs ), тонкая пленка арсенида галлия (GaAs , 1 нм) и ферромагнитный слой MnAs толщиной 20 нм. Сверху сформированы контакты из золота к подложке и к слою MnAs .

Если наночастицы MnAs с помощью внешнего магнитного поля перемагнитить в направлении, противоположном направлению намагниченности магнитожесткого слоя MnAs (ферромагнетик с фиксированной намагниченностью), то за счет инжекции из него через туннельный переход спин-поляризованных электронов на внешних выводах возникает электрическое напряжение. Если замкнуть внешнюю электрическую цепь, то к ферромагнитным наночастицам MnAs "потекут" электроны, спины которых ориентированы в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика. Эти электроны, накапливаясь, приводят к постепенной переориентации ферромагнитных наночастиц. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток прекращается, а вместе с ним прекращается и перемагничивание ферромагнитных наночастиц.

Можно заряжать бесконтактно. Такие аккумуляторы могут стать эффективным источником напряжения питания для спинтронных схем и для микроустройств, вживляемых в организм человека или животных.

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.

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).

Спинтроника объединяет области исследований и разработок наноэлектронных приборов и устройств на основе эффектов и явлений переноса спинов в качестве носителей информационного сигнала. Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра некоторых атомов. В спинтронике изучаются магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамика и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые - магнитные полупроводники - вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами. Зонная структура магнитного полупроводника отличается от двухзонной структуры обычных полупроводников, металлов и диэлектриков наличием особой - третьей зоны, которая образуется электронными d- и f- оболочками атомов переходных или редкоземельных элементов. Экспериментальная техника спинтроники включает в себя магнитооптическую спектроскопию с высоким (фемтосекундным) временным разрешением, микромеханическую магнитометрию, атомно- и магнитосиловую сканирующую микроскопию субатомного разрешения, сканирующую оптическую микроскопию ближнего поля, спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и др. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют созда­вать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами. Если в обычной твердотельной микро- и наноэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда, то в спинтронике используется представление информации с помощью магнитного момента квантовых частиц.

Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в сто раз. Стратегическая и экономическая значимости разработок в области спинтроники очевидна. 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. Скорость изменения положения спина очень высока. Эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды).

В магнитоупорядоченных кристаллах спины взаимодействуют между собой двояким образом: это или обычное магнитное диполь-дипольное взаимодействие, или обменное взаимодействие. Два типа взаимодействия вызывают два рода уп­ругих сил в магнитном диэлектрике - магнитные и обменные силы. Первые являются дальнодействующими. Во взаимодействии принимают участие сразу много узлов кристаллической решетки и его часто называют коллективным.

В ближнем порядке между соседними атомами имеет место обменное взаимодействие. Обменные силы являются короткодействующими и хорошо описывают коротковолновые возмущения узлов кристаллической решетки. В этом случае смещения соседних узлов кристаллической решетки достаточно велики, и обменные силы выступают на первый план.

Таким образом, длинноволновые возмущения вызывают магнитные силы или магнитную упругость, а за коротковолновые возмущения - обменные силы или обменную упругость.

Наличие двух типов возмущения порождает возможность генерации и распространения двух видов волн - спиновых магнитостатических и спиновых обменных.

Волны первого типа называют магнитостатическими, второго - спиновыми. Деление спиновых волн на два типа весьма условно, и необходим одновременный учет вклада обоих типов взаимодействий (рис. 5.11).

Как отмечалось, различают несколько типов волн. Если длина волны l значительно больше размеров кристаллической решетки (l >> а), то в магнитоупорядоченных структурах могут распространяться медленные волны. Они обусловленны дальнодействующим диполь-дипольным взаимодействием. Волны этого типа называют магнито-статическими (МСВ). Эти волны способны переносить энергию в результате диполь-дипольного взаимодействия.

Рис.5 11. Схема формирование спиновой волны

Если длина волны возмущений (l ³ а), то такие волны обусловлены обменным взаимодействием, а волны этого типа носят название спиновых волн (СВ). Энергия в такого типа волнах переносится благодаря обмену. Существуют дипольнообменные волны, для которых дипольный и обменный механизмы переноса одинаково существенны.

Итак, спиновая волна представляет собой волну нарушения магнитной упорядоченности или элементарное возбуждение.

Квазичастицы, соответствующие спиновой волне, называются магнонами. Магноны, как и все квазичастицы, обладают энергией Е = ћw, квазиимпульсом р = ћk и магнитным моментом m.

В простейшем случае магнитный момент магнона равен магнитному моменту атома и направлен против равновесной намагниченности.

Практический интерес представляет поверхностная магнитодипольная волна или поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ). Ее групповая скорость совпадает по знаку с фазовой скоростью, их энергия и фаза перемещаются в одну и ту же сторону. Для пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) частота колебаний составляет порядка 10 ГГц при скорости распространения v = 4 - 10 6 см/с.

Уникальные свойства магнитостатических волн широко используются в элементах и приборах СВЧ-диапазона длин волн. Наибольшее распространение получили линии задержки на магнитостатических волнах.

Линии задержки представляют собой устройства для временной задержки электрических сигналов при несущественных искажениях их формы.

Теоретически могут быть разработаны линии задержки в широкой полосе частот с различным законом изменения времени задержки, например, постоянная задержка, линейная задержка и др.

Одна из конструкций линий задержки СВЧ-сигналов представлена на рис. 5.12. Линия задержки монтируется на подложке из оксида алюминия (искусственный сапфир, корунд). Управляющий экран является одновременно основанием возбуждающей микрополосковой линии. Входной и выходной СВЧ-сигналы проходят по компланарным волноводам, которые формируются в экране методом травления. На управляющий экран наносится стеклянная подложка толщиной порядка 20 мкм. Микрополоски размещались на стеклянной подложке и соединялись с проводниками компланарных линий. Входной и выходной микрополоски делаются достаточно узкими (до 50 мкм) для обеспечения необходимой ширины полосы возбуждения.

Рис. 5.12.Структура линии задержки на ЖИГ-пленке:

1 – ГГГ-подложка; 2 - ЖИГ-пленка; 3 – микрополосковая

линия; 4 – управляющий экран (серебро - золото);

5 – подложка из оксида алюминия; 6 – выход компланарной линии; 7 - вход компланарной линии

Отдельно готовится пленка железо-иттриевого граната (Y 3 Fe 5 О 12) на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) (Gd 3 Ga 5 O 12). Такое сочетание позволяет получить пленки высокой степени структурного совершенствования, небольшими потерями на частотах СВЧ-диапазона. Такой сэндвич ЖИГ-ГГГ помещается сверху на стеклянную подложку.

Таким образом, сформированная линия задержки на поверхностных МСВ работает в диапазоне порядка 10 ГГц, с полосой 200 МГц, задержкой в полосе порядка 100 нс/см при вносимых потерях порядка 10 дБ.

Одним из направлений, связанных с разработкой бездисперсионных перестраиваемых линий задержки на МСВ в широкой полосе частот, является использование каскадных схем. Это - последовательно включенные две линейно перестраи­ваемые ЛЗ с комплементарными характеристиками. С этой целью используются ЛЗ на поверхностных или прямых объемных МСВ с нормальной дисперсией или ЛЗ на обратных объемных МСВ с аномальной дисперсией.

Такие конструкции позволяют в определенных пределах модулировать по величине полную задержку сигнала Весьма интересное применение магнитостатические волны нашли в фильтрах СВЧ-сигналов. Такие фильтры имеют верхнюю частотную границу в области выше 50 - 60 ГГц и работают в реальном масштабе времени. Фильтры на МСВ способны легко перестраиваться по спектральному диапазону за счет изменения внешнего магнитного поля.

На магнитостатических волнах разработаны эффективные линии передачи, шумоподавители, полосковые замедляющие структуры и другие устройства СВЧ-диапазона.

В области наноэлектроники существует много идей использования спинов электронов в качестве носителей информационного сигнала в приборах и устройствах обработки и хранения информации.

Предложена конструкция транзистора, напоминающая конструкцию МДП-транзистора. Спин-электронное устройство должно содержать три основных элемента:

Генератор - исток для инжектирования спин-поляризованных электронов, спины которых выстроены в нужном направлении;

Устройство управления спиновым потоком в полупроводнике, например электрическое поле для перемещения электронов;

Детектор - сток для измерения результирующего спинового тока.

В качестве истока используется ферромагнетик, который инжектирует поток электронов со 100 %-ной спиновой поляризацией в канал транзистора. Стоком служит спиновой фильтр, который пропускает только электроны с соответствующей спиновой поляризацией. Спин-орбитальное взаимодействие внутри канала управляется напряжением затвора и производит поворот спинов. При повороте на 180 ° электроны уже не проходят в сток, ток равен нулю. Это и есть закрытое состояние транзистора. Потенциал затвора создает перпендикулярное электрическое поле в канале, которое вызывает анизотропию движения электронов относительно этого направления.

Следует подчеркнуть, что полевой спиновый транзистор работает совершенно на других принципах, нежели обычный полевой транзистор. Спиновый транзистор будет обладать низким управляющим напряжением, малым энергопотреблением и высоким быстродействием. Нужны поиски компромиссных решений потому, что уменьшение напряжения на затворе приводит к увеличению длины канала для эффективного поворота спинов.

Это снижает быстродействие и делает недопустимо большим ток в закрытом состоянии из-за процессов релаксации спина. Вывод такой: до тех пор, пока не разработают структуры, в которых гораздо более сильное спин-орбитальное взаимодействие, спиновый полевой транзистор будет уступать кремниевому. Следует добавить, что ни идеального 100 %-ного инжектора спинового тока, ни соответственно 100 %-ного фильтра пока не существует. Но это начало работ. Вспомним, как неуклюже выглядел первый транзистор - не чета нынешнему чуду прогресса.

Началось массовое производство спинтронных модулей памяти MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory - магниторезистивная память с произвольной выборкой). Главное отличие таких модулей - записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. MRAM уже нашла применение в сотовых телефонах, мобильных компьютерах, идентификационных картах. Кроме того, новую память используют военные для управления боевыми ракетами и для контроля за космическими станциями. Высокоточные угловые, позиционные и скоростные спиновые сенсоры широко используются в автомобильных агрегатах и механизмах, например, в антиблокировочной тормозной системе, известной водителям как ABS (Antilock Braking System), благодаря которой автомобиль сохраняет прямолинейное движение при торможении на скользком дорожном покрытии. Современную компьютерную, теле- и видеотехнику невозможно представить без спинтронных устройств. Помимо жестких дисков, достижения спинтроники можно найти в персональных видеорекордерах (тюнерах для захвата видеосигнала с аналоговых устройств), аппаратуре телевидения высокой четкости (HDTV), DVD-приводах с интерференцией в ближнем поле (near field recording, NFR) при записи.

Работы в области спинтроники и создания устройств на эффектах переноса спина только разворачиваются. Ожидается, что они будут иметь преимущество перед известными устройствами по переносу зарядов по таким параметрам, как разме­ры, быстродействие, диссипация энергии. Спины электронов, локализированные в квантовых точках, можно использовать как носители информационного сигнала для вычислительных устройств нового поколения.

В ближайшие годы спинтроника будет развиваться по трем главным направлениям: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память. Вполне возможно, что через 10 - 15 лет новая область науки - спинтроника будет так же важна, как сегодня важна электроника.