Спинтроника

Спинтроника (spintronics) — это область квантовой электроники, в которой для физического представления информации наряду с зарядом используется спин частиц, связанный с наличием у них собственного механического момента.

Спинтроника (spintronics) — это область квантовой электроники, в которой для физического представления информации наряду с зарядом используется спин частиц, связанный с наличием у них собственного механического момента.

Спин (от англ. spin — верчение, кружение) можно было бы представить как результат вращения частицы вокруг своей оси, однако, несмотря на наглядность такого представления и очевидный смысл самого термина, классическая физика не может объяснить появление спина в результате вращательного движения частиц в трехмерном пространстве.

Последовательное объяснение дает лишь релятивистская квантовая электродинамика. Каждая элементарная частица характеризуется спиновым квантовым числом. Оно может быть только положительным целым (0, 1, 2, …) или полуцелым (1/2, 3/2, 5/2, …). Например, спин фотона равен 1, а спин электрона 1/2.

Кроме механического спинового момента, некоторые частицы могут обладать также магнитным спиновым моментом. Например, магнитный момент фотона равен нулю, а магнитный момент электрона отличен от нуля (рис. 1). Если рассматривать перенос заряда при движении частиц, то мы приходим к понятию обычного электрического тока. Если рассматривать перенос спина, то получаем спиновый ток (механический и магнитный). В обычных условиях спины с различной ориентацией компенсируют друг друга, поэтому спиновый ток равен нулю. Если спины всех частиц принимают одну и ту же ориентацию, возникает макроскопическая намагниченность вещества. Электроны с заданным состоянием спина называют также поляризованными электронами. Таким образом, использование магнетизма веществ — частный случай спинтроники.

Cпинтроника — 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). Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра некоторых атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику 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 (рис. 2), 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 многое другое. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами.

В обычной твердотельной микроэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда. Состояние магнитного момента при этом не задано — собственные моменты частиц ориентированы хаотично (рис. 3а). Спинтроника отличается тем, что использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц (рис. 3б). Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), в конце 1990-х было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в сто раз.

Стратегическая и экономическая значимость разработок в области спинтроники очевидна. Неудивительно, что лидирующие позиции здесь принадлежат США, где опекой этого перспективного научного и технологического направления занимаются такие могучие ведомства, как NSF (National Science Foundation), NIST (National Institute of Sience and Technology), DoD (Department of Defense), DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) и ONR (Office of Naval Research). Под эгидой этих организаций регулярно проводятся симпозиумы, координирующие и обобщающие результаты последних исследований по спинтронике. Одним из ведущих мировых центров является Центр спинтроники и квантовых вычислений (CSQC) Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которым руководит Давид Авшалом (David Awschalom). Среди последних работ CSQC — исследования перспективных спинтронных устройств на магнитных моментах ядер атомов.

Использование магнитных моментов ядер дает дополнительные возможности для хранения и обработки квантовой информации. Почему же техника современной магнитной записи информации до сих пор основана на использовании электронных магнитных моментов? Дело в том, что магнитные моменты ядер более чем в тысячу раз слабее магнитного момента электрона. Поэтому и управлять ими гораздо сложнее. Главная идея развиваемого в CSQC подхода состоит в том, чтобы управлять магнитными моментами ядер, используя магнитные моменты электронов, захваченных с помощью квантовых ям в малую область пространства внутри магнитного полупроводника.

Для этого литографическими методами внутри магнитного полупроводника создается специальная, практически двумерная квантовая яма. Попадая в яму, электроны с упорядоченным направлением спинов (поляризованные электроны) образуют тонкий диск радиусом около 20 мкм и толщиной 20 нм. С помощью электрического поля этот диск можно перемещать в нужном направлении по полупроводнику аналогично тому, как магнитная головка перемещается вдоль поверхности магнитного накопителя информации. Отработана методика позиционирования облака электронов с нанометровой точностью. В результате взаимодействия магнитных моментов электронов с магнитными моментами ядер последние тоже принимают упорядоченное состояние — происходит магнитная поляризация атомных ядер. Все эти процессы протекают в слое магнитного полупроводника толщиной несколько нанометров. В результате создается тонкий двумерный кластер поляризованных ядер, который может составлять базисный элемент устройства хранения информации, задавая логическое состояние системы. Ко всему прочему плотность хранения информации теоретически гораздо выше, чем с использованием спина электронов. Преимущество описанного метода состоит также в том, что ядерные спины гораздо слабее взаимодействуют с окружающей средой, нежели электронные, и поэтому лучше сохраняют свое состояние. Интересно, что электронный кластер в работах CSQC используется не для хранения информации, а лишь как магнит, управляющий магнитным состоянием ядер и вдобавок не требующий расхода энергии для поддержания создаваемого им магнитного поля. При этом несложно и перемещать электроны по магнитному полупроводнику, благодаря наличию у них электрического заряда.

Определенную трудность представляла необходимость создания в полупроводнике магнитно-поляризованного электронного кластера. В первых экспериментах для этой цели использовался сложный метод инжекции спин-поляризованных электронов в двумерную квантовую яму с помощью лазерного импульса. Теперь внедряется разработанная в IBM методика инжектирования в полупроводник поляризованных электронов с помощью квантовых магнитных туннельных переходов. В таких переходах электроны туннелируют управляемым образом между двумя ферромагнитными слоями. Магнитные туннельные переходы исследовались в IBM в связи с разработками новых типов электронной памяти — MRAM (magnetic random access memory). Каждый переход может хранить один бит информации, что позволяет создавать электронную полупроводниковую память нового типа с высокой скоростью записи и чтения, а также с высокой плотностью записи. Память типа MRAM обеспечивает сохранение информации при отключении питания (поскольку в основе метода лежит не заряд, а магнетизм) и к тому же не требует регенерации в процессе работы. IBM готовится наладить производство MRAM-памяти в сотрудничестве с Infineon Technologies уже в нынешнем году. Новая память будет в пятьдесят раз быстрее DRAM, в десять раз плотнее, чем статическая SRAM, и сможет заменить и ту и другую, а также, вероятно, и дисковые накопители. Станет возможным размещать на одном чипе логику процессора и магнитную память, убрав медленные каналы ввода-вывода. В этом случае весь компьютер вместе с «жестким диском» можно будет разместить на одном чипе.

Еще одно новое направление, над которым работают исследователи, нацелено на создание оптического процессора, где информация к ядрам от электронов переносится с помощью пучков света. Союз магнитных полупроводников с фотоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах атомов. А благодаря интеграции традиционных составных частей компьютера на одном магнитно-полупроводниковом оптическом чипе мы получим сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и хранения данных. Свою лепту в повышение быстродействия внесет также отказ от необходимости изменять способ представления информации в памяти, процессоре, канале передачи данных. Использование на чипе магнитооптоэлектронных структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели и коммутаторы сигналов, способные работать на частотах в несколько терагерц. Следует также отметить, что магнитооптические полупроводники дадут возможность осуществлять прямое преобразование квантовой информации из электронного представления в оптическое и обратно, минуя процесс детектирования.

Высокое быстродействие устройств спинтроники может также достигаться за счет того, что здесь не обязательно перемещать в пространстве заряд и связанную с ним массу. Для переключения состояния достаточно лишь развернуть спин в обратном направлении.

В настоящее время высокими темпами ведется разработка спиновых полевых нанотранзисторов (spin-FET) с переносом заряда и нанотранзисторов с переносом спина (рис. 4).

Органические полупроводники, уже хорошо известные в обычной электронике, начинают применяться и в спинтронике. Так, по упомянутой схеме в Университете штата Юта в 2004 г. был создан первый спинтронный нанотранзистор с каналом на органическом полупроводнике (www.nanotechweb.org).