Спинтроника

Спинтроника (от англ. spin transport electronics — спиновая электроника) — это область физики и техники, изучающая и использующая спин электронов (собственный момент импульса) в качестве носителя информации, наряду с их электрическим зарядом. В отличие от классической электроники, которая оперирует только движением зарядов (электрическим током), спинтроника позволяет управлять спиновым состоянием электронов, что открывает возможности для создания энергонезависимой памяти, более быстрых и энергоэффективных логических устройств, а также квантовых компьютеров.

История

Открытие гигантского магнетосопротивления (ГМС)

Фундаментальным открытием, положившим начало практической спинтронике, стало обнаружение эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС, GMR) в 1988 году. Независимо друг от друга его открыли две группы исследователей: под руководством Альбера Фера (Франция) в тонких плёнках железа и хрома, и под руководством Петера Грюнберга (Германия) в структурах железо-хром-железо. За это открытие в 2007 году учёные были удостоены Нобелевской премии по физике.

Эффект ГМС заключается в резком (на десятки процентов) изменении электрического сопротивления многослойной структуры, состоящей из ферромагнитных и немагнитных слоёв, при изменении направления намагниченности соседних ферромагнитных слоёв с параллельного на антипараллельное. Это явление стало возможным благодаря тому, что электроны с разным спином (спин-вверх и спин-вниз) по-разному рассеиваются в ферромагнитных материалах.

Развитие технологии

В 1991 году был предложен и вскоре реализован первый практический прибор на основе ГМС — считывающая головка для жёстких дисков. Это позволило резко увеличить плотность записи информации и привело к бурному развитию индустрии накопителей.

В 1995 году был открыт эффект туннельного магнетосопротивления (ТМС, TMR) в магнитных туннельных переходах (МТП), где ферромагнитные слои разделены ультратонким (1–2 нм) слоем изолятора. Величина ТМС значительно превышает ГМС, что сделало МТП основой для современной энергонезависимой памяти — магниторезистивной оперативной памяти (MRAM).

Физические основы

Спин электрона

Электрон, помимо заряда, обладает квантовым свойством — спином, который можно условно представить как вращение частицы вокруг своей оси. Спин может принимать только два значения: «вверх» (↑) или «вниз» (↓), что соответствует двум возможным ориентациям магнитного момента электрона. В ферромагнетиках (например, железо, кобальт, никель) спины большинства электронов выстраиваются параллельно, создавая самопроизвольную намагниченность.

Спиновый транспорт

В обычных металлах электроны обоих спиновых состояний движутся одинаково. В ферромагнетиках же плотность состояний для электронов со спином «вверх» и «вниз» различна. Это приводит к тому, что электрический ток, проходя через ферромагнетик, становится поляризованным по спину — то есть в нём преобладают электроны одного спинового направления.

Спиновый ток

Спиновый ток — это поток спинового момента, который может существовать даже без переноса электрического заряда. Например, в некоторых материалах электроны с противоположными спинами могут двигаться в противоположных направлениях, создавая чистый спиновый ток при нулевом зарядовом токе. Управление спиновыми токами является одной из ключевых задач спинтроники.

Ключевые эффекты и устройства

Гигантское магнетосопротивление (ГМС)

Структура, демонстрирующая ГМС, состоит из двух ферромагнитных слоёв, разделённых тонким немагнитным проводящим слоём (например, медью). Когда намагниченности слоёв параллельны, электроны одного спинового направления проходят через структуру с малым сопротивлением. Когда намагниченности антипараллельны, оба типа электронов испытывают сильное рассеяние на одном из слоёв, и сопротивление резко возрастает.

Туннельное магнетосопротивление (ТМС)

В магнитном туннельном переходе (МТП) ферромагнитные слои разделены слоем диэлектрика (обычно оксид алюминия или оксид магния) толщиной около 1 нанометра. Электроны могут преодолевать этот барьер благодаря квантовому туннелированию. Вероятность туннелирования сильно зависит от взаимной ориентации намагниченностей слоёв, что даёт ещё больший (до нескольких сотен процентов) магниторезистивный эффект.

Переключение спин-поляризованным током (STT — Spin-Transfer Torque)

В 1996 году было теоретически предсказано, а затем экспериментально подтверждено, что спин-поляризованный ток, проходя через тонкий ферромагнитный слой, может передавать ему свой спиновый момент и переворачивать его намагниченность. Этот эффект, называемый спин-трансферным моментом, позволяет переключать магнитные состояния без внешнего магнитного поля, а только с помощью электрического тока. Это стало основой для создания STT-MRAM — более энергоэффективной и масштабируемой версии MRAM.

Спин-орбитальное взаимодействие

Взаимодействие спина электрона с его орбитальным движением в кристаллической решётке (спин-орбитальное взаимодействие) лежит в основе ряда эффектов, таких как спин-холловский эффект (преобразование зарядового тока в спиновый) и эффект Рашбы. Эти эффекты позволяют управлять спином с помощью электрического поля, не прибегая к ферромагнетикам, что перспективно для создания полупроводниковых спинтронных устройств.

Применение

Магниторезистивная память (MRAM)

MRAM — это энергонезависимая память, в которой каждый бит информации хранится в виде направления намагниченности в магнитном туннельном переходе. В отличие от DRAM, MRAM не требует постоянной подзарядки, а по скорости работы и долговечности превосходит флеш-память. Современные реализации STT-MRAM уже используются в качестве встроенной памяти в микроконтроллерах и некоторых специализированных чипах.

Считывающие головки жёстких дисков

Спинтронные считывающие головки на основе ГМС и ТМС являются стандартом для всех современных жёстких дисков. Они позволяют считывать информацию с магнитных дорожек с высокой чувствительностью и на высокой скорости, что обеспечивает огромные объёмы хранения данных.

Спинтронные логические устройства

Ведутся активные исследования по созданию логических вентилей и процессоров на спинтронных принципах. Такие устройства потенциально могут потреблять значительно меньше энергии, чем традиционные КМОП-схемы, поскольку не требуют непрерывной подачи тока для поддержания состояния (энергонезависимая логика). Однако на данный момент они находятся на стадии лабораторных разработок.

Квантовые вычисления

Спин электрона является естественным кубитом — квантовым битом информации. Спинтронные подходы позволяют создавать квантовые точки и другие структуры для манипуляции и считывания спиновых состояний отдельных электронов, что является одним из перспективных направлений для реализации квантовых компьютеров.

Перспективы и вызовы

Миниатюризация и тепловыделение

Одной из главных проблем является дальнейшая миниатюризация спинтронных устройств. При уменьшении размеров магнитных элементов до нескольких нанометров становятся существенными тепловые флуктуации, которые могут разрушать магнитное состояние. Кроме того, управление спиновыми токами на нанометровых масштабах требует высокой точности.