Спинтроника: от "микро" к "нано"

Материал рассказывает об основных принципах и достижения спинтроники - нового направления науки, которое обеспечит развитие компьютерной электроники на среднюю и дальнюю перспективу.

Многие, несомненно, обращали внимание на то, что в последние несколько лет в СМИ все реже встречается термин "микроэлектроника". Гораздо чаще мы слышим и читаем о нанофизике, наноэлектронике, нанотехнологиях. Теперь каждый школьник знает, что приставка "нано" уменьшает обычный метр в миллиард раз. Однако не всем известны принципы функционирования наноустройств, таких как считывающие головки жестких дисков компьютера или сенсоры магнитного поля. Подобные устройства были бы невозможны без развития спинтроники - молодой, но уже весьма авторитетной науки, на плечи которой возложена важная миссия использования квантовых эффектов в сверхэкономичных и сверхбыстрых спиновых устройствах недалекого будущего.

Термин "спинтроника" произошел от англоязычного выражения "spin electronics" ("спиновая электроника"; иногда её называют и "магнитоэлектроникой"). Спинтроника - область науки, изучающая взаимодействие собственных магнитных моментов электронов (спинов) с электромагнитными полями и разрабатывающая на основе обнаруженных явлений и эффектов спинэлектронные приборы и устройства. Но не будем спешить и последовательно рассмотрим фундаментальные аспекты темы.

Начнем с понятия спина. В теории магнетизма считается, что электрон обладает квантовым свойством - спином, из-за чего он ведет себя подобно стрелке компаса, вращающейся вокруг своей оси и соединяющей его (электрона) южный и северный полюса. Спины электронов могут быть ориентированы в направлениях, которые обычно называют "спин-вверх" (мажорные спины) и "спин-вниз" (минорные спины).

Если поместить электроны в магнитное поле, то их спины выстроятся вдоль направления поля. При этом они будут прецессировать (определенным образом вращаться) вокруг силовых линий - это явление можно сравнить с орбитальной прецессией нашей планеты.

Если выключить поле, прецессия спина прекращается и его ориентация фиксируется. Другими словами, используя эффект прецессии, можно менять спиновое состояние электрона и тем самым изменять бит информации, переносимый электроном, с логического "0" на "1" и обратно.

Отметим, что впервые в мире спин отдельного электрона "рассмотрели" ученые IBM Research Division (США), и произошло это всего год назад. Для столь прецизионной задачи они использовали так называемую магнитную резонансную силовую микроскопию (magnetic resonance force microscopy, MRFM). Но интерес исследователей к спиновой электронике возник гораздо раньше, в 1988 году, в связи с открытием Бэйбичем (M. N. Baibich ) эффекта гигантского магнитосопротивления в многослойных (количество слоев менялось от 3 до 50) магнитных наноструктурах Fe/Cr, суммарная толщина которых составляла около 100 нм. Было обнаружено, что сопротивление многослойной структуры Fe/Cr, в смежных магнитных слоях которой в отсутствие поля векторы намагниченности выстроены антипараллельно, уменьшается более чем на 50% под воздействием внешнего магнитного поля. Так как уменьшение сопротивления было столь велико, ученые назвали этот эффект гигантским магнитосопротивлением (ГМС) (такое аномальное поведение сопротивления обусловлено различиями в поведении электронов "спин-вверх" и "спин-вниз" в указанных наноструктурах). Открытие ГМС позволило создать высокоточные сенсоры магнитного поля, датчики углового вращения и, самое главное, считывающие головки жестких дисков. Первые считывающие ГМС-головки были выпущены в 1997 году компанией IBM и в настоящее время используются практически во всех жестких дисках.

В чем состоит миссия спинтроники? Дело в том, что кремниевые процессоры в ближайшие десять-пятнадцать лет достигнут предела своих возможностей, поэтому именно сейчас необходимо искать иные физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низкими энергопотреблением и тепловыделением. 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).

Спинтроника уже принесла много благодатных плодов. Так, в прошлом году компания Motorola начала 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 направление движения 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.

Чего же нам ждать от спинтроники в ближайшее десятилетие? Специалисты выделяют три главных направления ее развития: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.

Для реализации квантового компьютера предполагается задействовать спины в полупроводниковых квантовых точках и ямах, которые называют спиновыми кубитами (квантовыми битами). Спиновый кубит может находиться в двух устойчивых состояниях, "спин-вверх" и "спин_вниз", соответствующих логическим "0" и "1" в классических компьютерах. Квантовый компьютер пока не создан, хотя его общая структура была предложена знаменитым физиком Ричардом Фейнманом (Richard Feynmann) еще в 1986 году.

Основной частью компьютера является квантовый регистр - совокупность некоторого числа кубитов. При вводе информации в компьютер все кубиты регистра должны быть приведены в базовое состояние, соответствующее "0" или "1". Такая операция называется инициализацией. После этого цепочка кубитов (данных) поступает в квантовый процессор, который выполняет последовательность квантовых логических операций. На выходе компьютера необходимо измерить состояния кубитов, проанализировать их на обычном компьютере и получить готовое решение. Помимо специальных задач моделирования квантовых объектов, квантовые компьютеры можно будет использовать для быстрого поиска в базах данных (в частности, в больших массивах Интернета) и в криптографии. Если верить прогнозам ученых, то работоспособная версия нового типа компьютеров будет готова к 2020 году.

Спиновый полевой транзистор SFET (spin field-effect transistor) как готовое устройство пока не создан, хотя схему и принцип его действия еще в 1990 году предложили Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das). Работа транзистора SFET основывается на эффекте магниторезистивного туннелирования спинов через прослойку изолятора, помещенную между слоями ферромагнитного металла. В таком устройстве носители (электроны с разными спинами) инжектируются ("впрыскиваются") из магнитного истока (это может быть ферромагнитный металл либо магнитный полупроводник) к стоку, намагниченному в том же направлении, что и исток, через полупроводниковый канал. Если к затвору не приложено электрическое напряжение, то поляризованные носители доходят до стока и тем самым замыкают электрическую цепь, а такое состояние транзистора называют "открытым ключом". Если на затвор подать малое напряжение, то носители начнут взаимодействовать с электрическим полем, что приведет к прецессии спинов. При определенном напряжении спины развернутся в сторону, противоположную намагниченности стока. Такое состояние соответствует "закрытому ключу", так как спины не проходят через сток. Два состояния спинового транзистора - открытый и закрытый - можно сопоставить с логическим "0" и "1" бита информации.

Первые попытки создания спинового транзистора, в котором в качестве инжектора спинов использовались ферромагнитные контакты из железа, никеля и кобальта, потерпели крах. Все дело в том, что такой способ "впрыска" спинов через границу ферромагнитный металл/полупроводник малоэффективен (число поляризованных спинов всего около 1%) из-за большого различия в их проводимостях. Как же доставить в полупроводник возможно большее число поляризованных спинов? Ученые быстро нашли ответ: нужно создавать новый класс материалов - магнитные полупроводники, которые, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов (спины выстроены в выбранном направлении), а с другой - легко интегрировались с традиционными полупроводниковыми устройствами. На текущий момент такие магнитные полупроводники уже существуют, например GaMnAs и Cd_1–xMn_xGeP₂, и на их основе осуществляются попытки создания спиновых устройств. Как только будет налажено промышленное производство спиновых транзисторов, сразу же возрастет быстродействие, уменьшится энергопотребление и тепловыделение построенных на их основе микропроцессоров (которые, возможно, к тому времени назовут нано-процессорами).

Однако самое перспективное и самое близкое сегодня к техническому воплощению спиновое устройство - спиновая память. Как вы уже поняли, для управления спином используется магнитное поле. А если спинов миллионы и каждому нужен "индивидуальный подход"? Очень трудно представить модуль памяти, содержащий миллионы наномагнитов, которые к тому же еще и не взаимодействуют друг с другом. Есть ли альтернативное решение проблемы? Да есть, и решение это подсказано более полувека назад самим Эйнштейном. Великий ученый предположил, что для быстро движущегося электрона электрическое поле будет выглядеть как магнитное. Буквально полтора года назад физики подтвердили эту гипотезу, взяв два различных по составу полупроводника и образовав из них единую структуру путем напыления в вакууме. В результате в структуре возникают внутренние механические напряжения, приводящие к появлению электрического поля, которое и становится движущей силой для электронов.

Чем сильнее электрическое поле, тем больше эффективное магнитное поле, заставляющее быстрее прецессировать спины электронов. Это говорит о том, что у нас появляется возможность управлять углом наклона спинов или, иначе говоря, их фазой (направлением спина). Другими словами, направление спина необязательно принимает два фиксированных положения, соответствующих логическим "0" и "1" в классических бинарных компьютерах, а может иметь и промежуточные фазы. То есть спинтроника позволяет перейти от битов к так называемым фитам, фазовым числам, способным принимать больше значений. Представим себе модуль памяти, в котором группы спинов направлены на север, юг, восток, запад, северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад. Всего восемь направлений, соответствующих восьми фитам: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Чем точнее мы определим фит, тем большей плотности записи информации сможем достигнуть. Уже существует ряд методов точного определения фазового угла спинов, и можно ожидать, что сверхплотная, энергонезависимая и сверхбыстродействующая память не за горами.

Вполне возможно, через десять-пятнадцать лет новая область науки - спинтроника - будет так же важна, как сегодня важна электроника. Итак, да здравствует Её Величество Спинтроника!