stringtranslate.com

Спинтроника

Спинтроника ( от латинского слова « спиновая транспортная электроника» [1] [2] [3] ) , также известная как спиновая электроника , представляет собой исследование собственного спина электрона и связанного с ним магнитного момента , в дополнение к его фундаментальному электронному заряду , в твердотельные устройства . [4] Область спинтроники касается связи спин-заряд в металлических системах; аналогичные эффекты в изоляторах относятся к области мультиферроиков .

Спинтроника фундаментально отличается от традиционной электроники тем, что помимо зарядового состояния в качестве дополнительной степени свободы используются спины электронов, что влияет на эффективность хранения и передачи данных. Спинтронные системы чаще всего реализуются в разбавленных магнитных полупроводниках (DMS) и сплавах Гейслера и представляют особый интерес в области квантовых вычислений и нейроморфных вычислений .

История

Спинтроника возникла в результате открытий 1980-х годов, касающихся явлений спин-зависимого электронного транспорта в твердотельных устройствах. Сюда входит наблюдение инжекции спин-поляризованных электронов из ферромагнитного металла в нормальный металл Джонсоном и Силсби (1985) [5] и независимое открытие гигантского магнитосопротивления Альбертом Фертом и др. [6] и Питер Грюнберг и др. (1988). [7] Истоки спинтроники можно проследить до экспериментов по туннелированию ферромагнетика и сверхпроводника, впервые проведенных Мезерви и Тедроу, и первых экспериментов по магнитным туннельным переходам, проведенных Жюльером в 1970-х годах. [8] Использование полупроводников для спинтроники началось с теоретического предложения спинового полевого транзистора Датты и Даса в 1990 году [9] и электрического дипольного спинового резонанса Рашбой в 1960 году. [ 10]

Теория

Спин электрона представляет собой собственный угловой момент , который отделен от углового момента из-за его орбитального движения . Величина проекции спина электрона на произвольную ось равна , что означает, что электрон действует как фермион по теореме о статистике спина . Как и орбитальный угловой момент, спин имеет связанный с ним магнитный момент , величина которого выражается как

.

В твердом теле спины многих электронов могут действовать вместе, влияя на магнитные и электронные свойства материала, например, наделяя его постоянным магнитным моментом, как в ферромагнетике .

Во многих материалах спины электронов одинаково присутствуют как в верхнем, так и в нижнем состоянии, и никакие транспортные свойства не зависят от спина. Устройство спинтроники требует генерации или манипулирования спин-поляризованной популяцией электронов, что приводит к избытку электронов со спином вверх или вниз. Поляризацию любого свойства X, зависящего от спина, можно записать как

.

Чистая спиновая поляризация может быть достигнута либо путем создания равновесного разделения энергии между спином вверх и спином вниз. Методы включают помещение материала в сильное магнитное поле ( эффект Зеемана ), обменную энергию, присутствующую в ферромагнетике, или выведение системы из равновесия. Период времени, в течение которого может поддерживаться такая неравновесная популяция, известен как время жизни спина .

В диффузионном проводнике длину спиновой диффузии можно определить как расстояние, на которое может распространяться неравновесная спиновая популяция. Спиновое время жизни электронов проводимости в металлах относительно короткое (обычно менее 1 наносекунды). Важная область исследований посвящена продлению этого срока службы до технологически значимых временных масштабов.

График, показывающий спин вверх, спин вниз и результирующую спин-поляризованную популяцию электронов. Внутри спинового инжектора поляризация постоянна, тогда как вне инжектора поляризация экспоненциально спадает до нуля, когда популяции со спинами вверх и вниз приходят к равновесию.

Механизмы распада спин-поляризованной популяции можно в общих чертах классифицировать как рассеяние с переворотом спина и дефазировку спина. Рассеяние с переворотом спина — это процесс внутри твердого тела, который не сохраняет спин и, следовательно, может переключать входящее состояние со спином вверх на выходящее состояние со спином вниз. Спиновая дефазировка — это процесс, при котором популяция электронов с общим спиновым состоянием со временем становится менее поляризованной из-за разных скоростей прецессии спина электронов . В ограниченных структурах дефазировку спина можно подавить, что приводит к времени жизни спина в миллисекундах в полупроводниковых квантовых точках при низких температурах.

Сверхпроводники могут усилить центральные эффекты в спинтронике, такие как эффекты магнитосопротивления, время жизни спина и бездиссипативные спиновые токи. [11] [12]

Самый простой метод генерации спин-поляризованного тока в металле — пропустить ток через ферромагнитный материал. Наиболее распространенные применения этого эффекта связаны с устройствами гигантского магнитосопротивления (ГМР). Типичное устройство GMR состоит как минимум из двух слоев ферромагнитных материалов, разделенных разделительным слоем. Когда два вектора намагниченности ферромагнитных слоев выровнены, электрическое сопротивление будет ниже (поэтому при постоянном напряжении течет более высокий ток), чем если бы ферромагнитные слои были направлены против линии. Это датчик магнитного поля.

В устройствах были применены два варианта GMR: (1) ток в плоскости (CIP), когда электрический ток течет параллельно слоям, и (2) ток, перпендикулярный плоскости (CPP), где электрический ток течет в направлении, перпендикулярном слоям.

Другие устройства спинтроники на основе металлов:

Спинтронно-логические устройства

Энергонезависимые устройства спиновой логики, обеспечивающие масштабирование, широко изучаются. [13] Были предложены логические устройства с передачей спина и крутящим моментом, которые используют спины и магниты для обработки информации. [14] [15] Эти устройства являются частью исследовательской дорожной карты ITRS . Приложения с логической памятью уже находятся на стадии разработки. [16] [17] Обзорную статью 2017 года можно найти в журнале Materials Today . [4]

Обобщенная теория схем для спинтронных интегральных схем была предложена [18] , чтобы физика спинового транспорта могла использоваться разработчиками SPICE, а затем разработчиками схем и систем для исследования спинтроники для «выходов за рамки КМОП-вычислений».

Приложения

Считывающие головки магнитных жестких дисков основаны на эффекте GMR или TMR.

Компания Motorola разработала магниторезистивную память произвольного доступа (MRAM) первого поколения емкостью 256  КБ на основе одного магнитного туннельного перехода и одного транзистора, цикл чтения/записи которого составляет менее 50 наносекунд. [19] Everspin с тех пор разработал версию на 4  МБ . [20] В разработке находятся две технологии MRAM второго поколения: термическое переключение (TAS) [21] и передача вращательного момента (STT). [22]

Другая конструкция, память типа «беговая дорожка» , кодирует информацию в направлении намагничивания между доменными стенками ферромагнитной проволоки.

В 2012 году постоянные спиновые спирали синхронизированных электронов сохранялись более наносекунды, что в 30 раз больше, чем в предыдущих попытках, и дольше, чем продолжительность тактового цикла современного процессора. [23]

Устройства спинтроники на полупроводниковой основе

Легированные полупроводниковые материалы обладают разбавленным ферромагнетизмом. В последние годы разбавленные магнитные оксиды (DMO), включая DMO на основе ZnO и DMO на основе TiO 2 , стали предметом многочисленных экспериментальных и вычислительных исследований. [24] [25] Неоксидные ферромагнитные полупроводниковые источники (например, арсенид галлия, легированный марганцем (Ga,Mn)As ), [26] увеличивают межфазное сопротивление с помощью туннельного барьера, [27] или с помощью инжекции горячих электронов. [28]

Обнаружение спина в полупроводниках решается с помощью нескольких методов:

Последний метод использовался для преодоления отсутствия спин-орбитального взаимодействия и проблем с материалами для достижения спинового транспорта в кремнии . [33]

Поскольку внешние магнитные поля (и поля рассеяния от магнитных контактов) могут вызывать большие эффекты Холла и магнитосопротивление в полупроводниках (которые имитируют эффекты спинового клапана ), единственным убедительным доказательством спинового транспорта в полупроводниках является демонстрация прецессии спина и дефазировки в магнитном поле. неколлинеарной ориентации инжектированного спина, называемой эффектом Ханле .

Приложения

Приложения, использующие спин-поляризованную электрическую инжекцию, показали снижение порогового тока и контролируемый выход когерентного света с круговой поляризацией. [34] Примеры включают полупроводниковые лазеры. Будущие приложения могут включать в себя спиновый транзистор , имеющий преимущества перед МОП- транзисторами, такие как более крутой подпороговый наклон.

Магнитно-туннельный транзистор : Магнитно-туннельный транзистор с одним базовым слоем [35] имеет следующие клеммы:

Магнитоток (MC) определяется как:

А передаточное число (TR) равно

МТТ обещает источник сильно поляризованных по спину электронов при комнатной температуре.

Медиа хранилище

Антиферромагнитные носители информации изучались как альтернатива ферромагнетизму [36] , тем более что биты из антиферромагнитного материала можно хранить так же, как и из ферромагнитного материала. Вместо обычного определения 0 ↔ «намагниченность вверх», 1 ↔ «намагниченность вниз», состояниями могут быть, например, 0 ↔ «вертикально-переменная конфигурация спина» и 1 ↔ «горизонтально-переменная конфигурация спина». [37] ).

Основными преимуществами антиферромагнитного материала являются:

В настоящее время проводятся исследования того, как читать и записывать информацию в антиферромагнитную спинтронику, поскольку их чистая нулевая намагниченность затрудняет это по сравнению с обычной ферромагнитной спинтроникой. В современной MRAM от обнаружения и манипулирования ферромагнитным порядком с помощью магнитных полей в значительной степени отказались в пользу более эффективного и масштабируемого чтения и записи с помощью электрического тока. В антиферромагнетиках также исследуются методы чтения и записи информации по току, а не по полям, поскольку поля в любом случае неэффективны. Методы записи, которые в настоящее время исследуются в антиферромагнетиках, основаны на использовании спин-переносного крутящего момента и спин-орбитального крутящего момента , возникающих из спинового эффекта Холла и эффекта Рашбы . Также исследуется считывание информации в антиферромагнетиках с помощью эффектов магнитосопротивления, таких как туннельное магнитосопротивление . [40]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Вольф, SA; Ччелканова А.Ю.; Трегер, DM (2006). «Спинтроника — ретроспектива и перспектива». Журнал исследований и разработок IBM . 50 : 101–110. дои : 10.1147/рд.501.0101.
  2. ^ "Физический профиль:" Стю Вольф: True D! Голливудская история».
  3. ^ Спинтроника: видение спиновой электроники будущего. Sciencemag.org (16 ноября 2001 г.). Проверено 21 октября 2013 г.
  4. ^ Аб Бхатти, С.; и другие. (2017). «Оперативная память на основе спинтроники: обзор». Материалы сегодня . 20 (9): 530–548. дои : 10.1016/j.mattod.2017.07.007 . hdl : 10356/146755 .
  5. ^ Джонсон, М.; Силсби, Р.Х. (1985). «Межфазная зарядово-спиновая связь: введение и обнаружение спиновой намагниченности в металлах». Письма о физических отзывах . 55 (17): 1790–1793. Бибкод : 1985PhRvL..55.1790J. doi : 10.1103/PhysRevLett.55.1790. ПМИД  10031924.
  6. ^ Байбич, Миннесота; Брото, Дж. М.; Ферт, А.; Нгуен Ван Дау, ФН; Петров, Ф.; Этьен, П.; Крёзе, Г.; Фридрих, А.; Чазелас, Дж. (1988). «Гигантское магнитосопротивление магнитных сверхрешеток (001) Fe/(001) Cr» (PDF) . Письма о физических отзывах . 61 (21): 2472–2475. Бибкод : 1988PhRvL..61.2472B. doi : 10.1103/PhysRevLett.61.2472 . ПМИД  10039127.
  7. ^ Бинаш, Г.; Грюнберг, П.; Сауренбах, Ф.; Зинн, В. (1989). «Повышенное магнитосопротивление в слоистых магнитных структурах с антиферромагнитным межслоевым обменом». Физический обзор B . 39 (7): 4828–4830. Бибкод : 1989PhRvB..39.4828B. дои : 10.1103/PhysRevB.39.4828 . ПМИД  9948867.
  8. ^ Жюльер, М. (1975). «Туннелирование между ферромагнитными пленками». Буквы по физике А. 54 (3): 225–226. Бибкод : 1975PhLA...54..225J. дои : 10.1016/0375-9601(75)90174-7.
  9. ^ Датта, С. и Дас, Б. (1990). «Электронный аналог электрооптического модулятора». Письма по прикладной физике . 56 (7): 665–667. Бибкод : 1990ApPhL..56..665D. дои : 10.1063/1.102730.
  10. ^ Э. И. Рашба, Циклотрон и комбинированные резонансы в перпендикулярном поле, Сов. Физ. Твердотельное тело 2 , 1109-1122 (1960)
  11. ^ Линдер, Джейкоб; Робинсон, Джейсон Вашингтон (2 апреля 2015 г.). «Сверхпроводящая спинтроника». Физика природы . 11 (4): 307–315. arXiv : 1510.00713 . Бибкод : 2015NatPh..11..307L. дои : 10.1038/nphys3242. ISSN  1745-2473. S2CID  31028550.
  12. ^ Эшриг, Матиас (2011). «Спин-поляризованные сверхтоки для спинтроники». Физика сегодня . 64 (1): 43–49. Бибкод : 2011PhT....64a..43E. дои : 10.1063/1.3541944.
  13. ^ Международная технологическая дорожная карта для полупроводников
  14. ^ Бехин-Аейн, Б.; Датта, Д.; Салахуддин, С.; Датта, С. (2010). «Предложение по устройству всеспиновой логики со встроенной памятью». Природные нанотехнологии . 5 (4): 266–270. Бибкод : 2010NatNa...5..266B. дои : 10.1038/nnano.2010.31. ПМИД  20190748.
  15. ^ Манипатруни, Сасикант; Никонов, Дмитрий Э. и Янг, Ян А. (2011) [1112.2746] Теория цепей для SPICE спинтронных интегральных схем. Arxiv.org. Проверено 21 октября 2013 г.
  16. ^ Crocus сотрудничает с Starchip для разработки решений «система-на-кристалле» на основе технологии магнитно-логических устройств (MLU). crocus-technology.com. 8 декабря 2011 г.
  17. ^ Революционная новая технология повышения надежности логических интегральных схем спинтроники. Nec.com. 11 июня 2012 г.
  18. ^ С. Манипатруни, Д. Е. Никонов и И. А. Янг, «Моделирование и проектирование спинтронных интегральных схем», в IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 59, нет. 12, стр. 2801–2814, декабрь 2012 г., номер документа: 10.1109/TCSI.2012.2206465. https://ieeeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6359950&isnumber=6359940
  19. ^ Спинтроника. Сигма-Олдрич. Проверено 21 октября 2013 г.
  20. ↑ Everspin. Архивировано 30 июня 2012 года в Wayback Machine . Эверспин. Проверено 21 октября 2013 г.
  21. ^ Хоберман, Барри. Появление практической MRAM. Архивировано 21 октября 2013 года в Wayback Machine . crocustechnology.com
  22. ↑ ЛаПедус, Марк (18 июня 2009 г.) Tower инвестирует в Crocus и советует литейному заводу MRAM. eetimes.com
  23. ^ Уолзер, М.; Райхл, К.; Вегшайдер В. и Салис Г. (2012). «Прямое картирование образования постоянной спиновой спирали». Физика природы . 8 (10): 757. arXiv : 1209.4857 . Бибкод : 2012NatPh...8..757W. дои : 10.1038/nphys2383. S2CID  119209785.
  24. ^ Ассади, MHN; Ханаор, ДАХ (2013). «Теоретическое исследование энергетики и магнетизма меди в полиморфах TiO 2 ». Журнал прикладной физики . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Бибкод : 2013JAP...113w3913A. дои : 10.1063/1.4811539. S2CID  94599250.
  25. ^ Огале, SB (2010). «Разбавленное легирование, дефекты и ферромагнетизм в системах оксидов металлов». Передовые материалы . 22 (29): 3125–3155. Бибкод : 2010AdM....22.3125O. дои : 10.1002/adma.200903891. PMID  20535732. S2CID  25307693.
  26. ^ Джонкер, Б.; Парк, Ю.; Беннетт, Б.; Чеонг, Х.; Киосеоглу, Г.; Петру, А. (2000). «Надежная инжекция электрического спина в полупроводниковую гетероструктуру». Физический обзор B . 62 (12): 8180. Бибкод : 2000PhRvB..62.8180J. doi : 10.1103/PhysRevB.62.8180.
  27. ^ Ханбицкий, AT; Джонкер, Британская Колумбия; Итскос, Г.; Киосеоглу, Г.; Петру, А. (2002). «Эффективная инжекция электрического спина из контакта магнитного металла с туннельным барьером в полупроводник». Письма по прикладной физике . 80 (7): 1240. arXiv : cond-mat/0110059 . Бибкод : 2002ApPhL..80.1240H. дои : 10.1063/1.1449530. S2CID  119098659.
  28. ^ Цзян, X.; Ван, Р.; Ван Дейкен, С.; Шелби, Р.; Макфарлейн, Р.; Соломон, Г.; Харрис, Дж.; Паркин, С. (2003). «Оптическое обнаружение спиновой инъекции горячих электронов в GaAs из источника на магнитных туннельных транзисторах». Письма о физических отзывах . 90 (25): 256603. Бибкод : 2003PhRvL..90y6603J. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.256603. ПМИД  12857153.
  29. ^ Киккава, Дж.; Авшалом, Д. (1998). «Резонансное спиновое усиление в GaAs n-типа». Письма о физических отзывах . 80 (19): 4313. Бибкод : 1998PhRvL..80.4313K. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.4313.
  30. ^ Джонкер, Беренд Т. Поляризованное оптическое излучение вследствие распада или рекомбинации спин-поляризованных инжектированных носителей - патент США 5874749. Архивировано 12 декабря 2009 г. в Wayback Machine . Выдано 23 февраля 1999 г.
  31. ^ Лу, X.; Адельманн, К.; Крукер, ЮАР; Гарлид, ES; Чжан, Дж.; Редди, КСМ; Флекснер, SD; Палмстрем, CJ; Кроуэлл, Пенсильвания (2007). «Электрическое обнаружение спинового транспорта в латеральных устройствах ферромагнетик-полупроводник». Физика природы . 3 (3): 197. arXiv : cond-mat/0701021 . Бибкод : 2007NatPh...3..197L. дои : 10.1038/nphys543. S2CID  51390849.
  32. ^ Аппельбаум, И.; Хуанг, Б.; Монсма, диджей (2007). «Электронное измерение и контроль спинового транспорта в кремнии». Природа . 447 (7142): 295–298. arXiv : cond-mat/0703025 . Бибкод : 2007Natur.447..295A. дои : 10.1038/nature05803. PMID  17507978. S2CID  4340632.
  33. ^ Жутич, И.; Фабиан, Дж. (2007). «Спинтроника: кремниевые повороты». Природа . 447 (7142): 268–269. Бибкод : 2007Natur.447..268Z. дои : 10.1038/447269а . PMID  17507969. S2CID  32830840.
  34. ^ Голуб, М.; Шин, Дж.; Саха, Д.; Бхаттачарья, П. (2007). «Электрическая спиновая инжекция и снижение порога в полупроводниковом лазере». Письма о физических отзывах . 98 (14): 146603. Бибкод : 2007PhRvL..98n6603H. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.146603. ПМИД  17501298.
  35. ^ Ван Дейкен, С.; Цзян, X.; Паркин, SSP (2002). «Работа магнитного туннельного транзистора с высоким выходным током при комнатной температуре». Письма по прикладной физике . 80 (18): 3364. Бибкод : 2002АпФЛ..80.3364В. дои : 10.1063/1.1474610.
  36. ↑ Юнгвирт, Т. (28 апреля 2014 г.). «Релятивистские подходы к спинтронике с антиферромагнетиками» (PDF) (анонс физического коллоквиума в баварском университете). Архивировано из оригинала (PDF) 29 апреля 2014 года . Проверено 29 апреля 2014 г.
  37. ^ Математически это соответствует переходу от группы вращения SO (3) к ее релятивистскому накрытию, «двойной группе» SU (2).
  38. ^ аб Юнгвирт, Т.; Марти, X.; Уодли, П.; Вундерлих, Дж. (2016). «Антиферромагнитная спинтроника». Природные нанотехнологии . Спрингер Природа. 11 (3): 231–241. arXiv : 1509.05296 . Бибкод : 2016NatNa..11..231J. дои : 10.1038/nnano.2016.18. ISSN  1748-3387. PMID  26936817. S2CID  5058124.
  39. ^ аб Гомонай, О.; Юнгвирт, Т.; Синова, Дж. (21 февраля 2017 г.). «Концепции антиферромагнитной спинтроники». Физический статус Solidi RRL . Уайли. 11 (4): 1700022. arXiv : 1701.06556 . Бибкод : 2017PSSRR..1100022G. дои : 10.1002/pssr.201700022. ISSN  1862-6254. S2CID  73575617.
  40. ^ Шаппер, Клод; Ферт, Альберт; ван Дау, Фредерик Нгуен (2007). «Появление спиновой электроники в хранении данных». Природные материалы . ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». 6 (11): 813–823. Бибкод : 2007NatMa...6..813C. дои : 10.1038/nmat2024. ISSN  1476-1122. PMID  17972936. S2CID  21075877.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки