Спинтроника - Spintronics

Спинтроника (а чемодан смысл спин транспортная электроника[1][2][3]), также известный как спин электроника, является изучение внутренней вращение из электрон и связанные с ним магнитный момент, помимо основного электронного заряда, в твердотельные устройства.[4] Область спинтроники касается спин-зарядовой связи в металлических системах; аналогичные эффекты в изоляторах попадают в область мультиферроики.

Спинтроника принципиально отличается от традиционной электроники тем, что, помимо состояния заряда, спины электронов используются как дополнительная степень свободы, что влияет на эффективность хранения и передачи данных. Системы спинтроники чаще всего реализуются в разбавленные магнитные полупроводники (DMS) и Сплавы Гейслера и представляют особый интерес в области квантовые вычисления и нейроморфные вычисления.[5]

История

Спинтроника возникла в результате открытий 1980-х годов, касающихся спин-зависимых явлений переноса электронов в твердотельных устройствах. Это включает наблюдение спин-поляризованный инжекция электронов из ферромагнитного металла в нормальный металл Джонсоном и Силсби (1985)[6] и открытие гигантское магнитосопротивление независимо от Альберт Ферт и другие.[7] и Петер Грюнберг и другие. (1988).[8] Происхождение спинтроники можно проследить до экспериментов по туннелированию ферромагнетик / сверхпроводник, впервые начатых Мезери и Тедроу, и начальных экспериментов по магнитным туннельным переходам, проведенных Джульером в 1970-х годах.[9] Использование полупроводников в спинтронике началось с теоретического предложения спинового полевого транзистора. Датта и Дас в 1990 году[10] и из электрический дипольный спиновой резонанс к Рашба в 1960 г.[11]

Теория

Основная статья: Спин (физика)

В вращение электрона является внутренним угловой момент который отделен от углового момента из-за его орбитального движения. Величина проекции спина электрона на произвольную ось равна , подразумевая, что электрон действует как фермион посредством теорема спиновой статистики. Как и орбитальный угловой момент, спин имеет связанный магнитный момент, величина которого выражается как

.

В твердом теле спины многих электронов могут действовать вместе, влияя на магнитные и электронные свойства материала, например, придавая ему постоянный магнитный момент, как в ферромагнетик.

Во многих материалах электронные спины 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. Поляризация любого спин-зависимого свойства X может быть записана как

.

Чистая спиновая поляризация может быть достигнута либо путем создания равновесного разделения энергии между вращением вверх и вниз. Методы включают помещение материала в сильное магнитное поле (Эффект Зеемана ), обменная энергия, присутствующая в ферромагнетике или вынуждающая систему выйти из равновесия. Период времени, в течение которого может поддерживаться такая неравновесная популяция, известен как время жизни спина, .

В диффузионном проводнике спиновая диффузия длина можно определить как расстояние, на которое может распространяться неравновесная спиновая популяция. Время жизни спина электронов проводимости в металлах относительно невелико (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 инжектора спина поляризация постоянна, в то время как вне инжектора поляризация экспоненциально спадает до нуля по мере того, как населенности со спином вверх и вниз приходят в равновесие.

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 в состояние исходящего спина вниз. Спиновая дефазировка - это процесс, при котором совокупность электронов с общим спиновым состоянием со временем становится менее поляризованной из-за разных скоростей вращения электронов. прецессия. В ограниченных структурах расфазировку спина можно подавить, что приведет к времени жизни спина в миллисекундах в полупроводнике. квантовые точки при низких температурах.

Сверхпроводники может усилить центральные эффекты в спинтронике, такие как эффекты магнитосопротивления, время жизни спина и спиновые токи без диссипации.[12][13]

Простейший метод генерации спин-поляризованного тока в металле - пропустить ток через ферромагнитный материал. Чаще всего этот эффект применяется в устройствах с гигантским магнитосопротивлением (GMR). 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 протекает более высокий ток), чем если бы ферромагнитные слои были выровнены с противоположной стороны. Он представляет собой датчик магнитного поля.

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

Другие устройства спинтроники на основе металла:

  • Туннельное магнитосопротивление (TMR), где транспорт CPP достигается с помощью квантово-механического туннелирования электронов через тонкий изолятор, разделяющий ферромагнитные слои.
  • Крутящий момент передачи вращения, где ток спин-поляризованных электронов используется для управления направлением намагничивания ферромагнитных электродов в устройстве.
  • Устройства спин-волновой логики несут информацию в фазе. Интерференция и рассеяние спиновых волн могут выполнять логические операции.

Устройства спинтронной логики

Энергонезависимые устройства спиновой логики для масштабирования широко изучаются.[14] Были предложены логические устройства на основе крутящего момента с передачей вращения, которые используют спины и магниты для обработки информации.[15][16] Эти устройства являются частью ITRS разведочная дорожная карта. Приложения логической памяти уже находятся в стадии разработки.[17][18] Обзорную статью 2017 года можно найти в Материалы сегодня.[4]

Приложения

Читать головы магнитного жесткие диски основаны на эффекте GMR или TMR.

Motorola разработала первое поколение 256kb магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) на основе одного магнитного туннельного перехода и одного транзистора с циклом чтения / записи менее 50 наносекунд.[19] Everspin с тех пор разработал 4МБ версия.[20] В разработке находятся два метода MRAM второго поколения: тепловая коммутация (ТАС)[21] и крутящий момент передачи вращения (СТТ).[22]

Другой дизайн, память о беговой дорожке, кодирует информацию в направлении намагничивания между доменными стенками ферромагнитного провода.

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

Спинтронные устройства на основе полупроводников

Легированные полупроводниковые материалы демонстрируют слабый ферромагнетизм. В последние годы разбавленные магнитные оксиды (DMO), включая DMO на основе ZnO и TiO2 DMO на базе стали предметом многочисленных экспериментальных и вычислительных исследований.[24][25] Неоксидные ферромагнитные полупроводниковые источники (например, арсенид галлия, легированный марганцем (Ga, Mn) Как ),[26] увеличить сопротивление интерфейса с туннельным барьером,[27] или с помощью инжекции горячих электронов.[28]

Обнаружение спина в полупроводниках решается с помощью нескольких методов:

  • Фарадеевское / керровское вращение прошедших / отраженных фотонов[29]
  • Круговой поляризационный анализ электролюминесценции[30]
  • Нелокальный спиновой клапан (адаптировано из работы Джонсона и Силсби с металлами)[31]
  • Баллистическая спиновая фильтрация[32]

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

Поскольку внешние магнитные поля (и поля рассеяния от магнитных контактов) могут вызывать большие Эффекты Холла и магнитосопротивление в полупроводниках (которые имитируют спиновой клапан эффекты), единственным убедительным доказательством спинового транспорта в полупроводниках является демонстрация спинового прецессия и расфазировка в магнитном поле, неколлинеарном ориентации инжектированного спина, называемой Эффект Ханле.

Приложения

Приложения, использующие спин-поляризованную электрическую инжекцию, продемонстрировали снижение порогового тока и регулируемый когерентный световой выход с круговой поляризацией.[34] Примеры включают полупроводниковые лазеры. Будущие приложения могут включать спиновый транзистор имея преимущества перед МОП-транзистор такие устройства, как более крутой подпороговый уклон.

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

  • Излучатель (FM1): вводит спин-поляризованные горячие электроны в основание.
  • База (FM2): в основании происходит зависящее от спина рассеяние. Он также служит отжимным фильтром.
  • Коллектор (GaAs): A Барьер Шоттки формируется на интерфейсе. Он собирает только электроны, у которых достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер Шоттки, и когда состояния доступны в полупроводнике.

Магнитоток (MC) определяется как:

А передаточное отношение (TR) равно

MTT обещает источник электронов с сильной спин-поляризацией при комнатной температуре.

Медиа хранилище

Антиферромагнитный носители информации были изучены как альтернатива ферромагнетизм,[36] тем более что с антиферромагнитным материалом биты можно хранить так же, как с ферромагнитным материалом. Вместо обычного определения 0 ↔ «намагничивание вверх», 1 ↔ «намагничивание вниз», состояния могут быть, например, 0 ↔ «вертикально-чередующаяся конфигурация спина» и 1 ↔ «горизонтально-чередующаяся конфигурация спина».[37]).

Основными преимуществами антиферромагнитного материала являются:

  • нечувствительность к искажающим данные возмущениям из-за полей рассеяния из-за нулевой чистой внешней намагниченности;[38]
  • отсутствие воздействия на близлежащие частицы, что означает, что элементы антиферромагнитного устройства не будут магнитно мешать соседним элементам;[38]
  • гораздо более короткое время переключения (частота антиферромагнитного резонанса находится в ТГц диапазоне по сравнению с частотой ферромагнитного резонанса ГГц);[39]
  • широкий спектр общедоступных антиферромагнитных материалов, включая изоляторы, полупроводники, полуметаллы, металлы и сверхпроводники.[39]

В настоящее время ведутся исследования того, как считывать 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 управления ферромагнитным порядком с помощью магнитных полей в значительной степени отказались в пользу более эффективного и масштабируемого чтения и записи с помощью электрического тока. Способы чтения и записи информации током, а не полями, также исследуются в антиферромагнетиках, поскольку поля в любом случае неэффективны. Методы записи, исследуемые в настоящее время в антиферромагнетиках, проходят через крутящий момент передачи вращения и вращающий момент на орбите от спиновый эффект Холла и Эффект Рашбы. Считывание информации в антиферромагнетиках с помощью эффектов магнитосопротивления, таких как туннельное магнитосопротивление также изучается.[40]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Wolf, S.A .; Ччелканова, А.Ю .; Трегер, Д. М. (2006). «Спинтроника - ретроспектива и перспектива». Журнал исследований и разработок IBM. 50: 101–110. Дои:10.1147 / rd.501.0101.
  2. ^ Физический профиль: «Стю Вольф: Настоящее D! Голливудская история»[мертвая ссылка ]
  3. ^ Спинтроника: взгляд на спин-ориентированную электронику будущего. Sciencemag.org (16 ноября 2001 г.). Проверено 21 октября 2013 года.
  4. ^ а б Bhatti, S .; и другие. (2017). «Оперативная память на основе спинтроники: обзор». Материалы сегодня. 20 (9): 530–548. Дои:10.1016 / j.mattod.2017.07.007.
  5. ^ "Обзор спинтронных архитектур для обработки в памяти и нейронных сетей ", Журнал системной архитектуры, 2018 г.
  6. ^ Johnson, M .; Силсби, Р. Х. (1985). «Межфазная зарядово-спиновая связь: инжекция и обнаружение спиновой намагниченности в металлах». Письма с физическими проверками. 55 (17): 1790–1793. Bibcode:1985PhRvL..55.1790J. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.1790. PMID  10031924.
  7. ^ Байбич, М. Н .; Broto, J.M .; Fert, A .; Nguyen Van Dau, F. N .; Петров, Ф .; Etienne, P .; Creuzet, G .; Friederich, A .; Хазелас Дж. (1988). «Гигантское магнитосопротивление магнитных сверхрешеток (001) Fe / (001) Cr» (PDF). Письма с физическими проверками. 61 (21): 2472–2475. Bibcode:1988ПхРвЛ..61.2472Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.61.2472. PMID  10039127.
  8. ^ Бинаш, Г .; Grünberg, P .; Зауренбах, Ф .; Зинн, В. (1989). «Повышенное магнитосопротивление в слоистых магнитных структурах с антиферромагнитным межслоевым обменом». Физический обзор B. 39 (7): 4828–4830. Bibcode:1989ПхРвБ..39.4828Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.39.4828. PMID  9948867.
  9. ^ Жюльер, М. (1975). «Туннелирование между ферромагнитными пленками». Письма о физике A. 54 (3): 225–226. Bibcode:1975PhLA ... 54..225J. Дои:10.1016/0375-9601(75)90174-7.
  10. ^ Датта, С. и Дас, Б. (1990). «Электронный аналог электрооптического модулятора». Письма по прикладной физике. 56 (7): 665–667. Bibcode:1990АпФЛ..56..665Д. Дои:10.1063/1.102730.
  11. ^ Рашба Э. И. Циклотронный и комбинированный резонансы в перпендикулярном поле // Докл. Phys. Твердое состояние 2, 1109 -1122 (1960)
  12. ^ Линдер, Джейкоб; Робинсон, Джейсон В. А. (2 апреля 2015 г.). «Сверхпроводящая спинтроника». Природа Физика. 11 (4): 307–315. arXiv:1510.00713. Bibcode:2015НатФ..11..307Л. Дои:10.1038 / nphys3242. ISSN  1745-2473. S2CID  31028550.
  13. ^ Эшриг, Маттиас (2011). «Спин-поляризованные сверхтоки для спинтроники». Физика сегодня. 64 (1): 43. Bibcode:2011ФТ .... 64а..43Е. Дои:10.1063/1.3541944.
  14. ^ Международная технологическая дорожная карта для полупроводников
  15. ^ Behin-Aein, B .; Datta, D .; Salahuddin, S .; Датта, С. (2010). «Предложение универсального логического устройства со встроенной памятью». Природа Нанотехнологии. 5 (4): 266–270. Bibcode:2010НатНа ... 5..266Б. Дои:10.1038 / nnano.2010.31. PMID  20190748.
  16. ^ Манипатруни, Сасикантх; Никонов, Дмитрий Э. и Янг, Ян А. (2011) [1112.2746] Теория схем для SPICE интегральных схем Spintronic. Arxiv.org. Проверено 21 октября 2013 года.
  17. ^ Crocus сотрудничает с Starchip для разработки решений «система на кристалле» на основе технологии Magnetic-Logic-Unit ™ (MLU). crocus-technology.com. 8 декабря 2011 г.
  18. ^ Революционная новая технология для повышения надежности логических интегральных схем спинтроники. Nec.com. 11 июня 2012 г.
  19. ^ Спинтроника. Сигма-Олдрич. Проверено 21 октября 2013 г.
  20. ^ Everspin В архиве 30 июня 2012 г. Wayback Machine. Everspin. Проверено 21 октября 2013 г.
  21. ^ Хоберман, Барри. Появление практичной MRAM В архиве 21 октября 2013 г. Wayback Machine. crocustechnology.com
  22. ^ Лапедус, Марк (18 июня, 2009 г.) Tower инвестирует в Crocus, советует заключить сделку с литейным заводом MRAM. eetimes.com
  23. ^ Walser, M .; Reichl, C .; Wegscheider, W. & Salis, G. (2012). «Прямое отображение образования устойчивой спиновой спирали». Природа Физика. 8 (10): 757. arXiv:1209.4857. Bibcode:2012 НатФ ... 8..757Вт. Дои:10.1038 / nphys2383. S2CID  119209785.
  24. ^ Ассади, M.H.N; Ханаор, Д.А.Х (2013). «Теоретические исследования энергетики и магнетизма меди в TiO.2 полиморфы ». Журнал прикладной физики. 113 (23): 233913–233913–5. arXiv:1304.1854. Bibcode:2013JAP ... 113w3913A. Дои:10.1063/1.4811539. S2CID  94599250.
  25. ^ Огале, С.Б. (2010). «Разбавить легирование, дефекты и ферромагнетизм в системах оксидов металлов». Современные материалы. 22 (29): 3125–3155. Дои:10.1002 / adma.200903891. PMID  20535732.
  26. ^ Jonker, B .; Park, Y .; Bennett, B .; Cheong, H .; Kioseoglou, G .; Петру, А. (2000). «Надежная инжекция электрического спина в полупроводниковую гетероструктуру». Физический обзор B. 62 (12): 8180. Bibcode:2000PhRvB..62.8180J. Дои:10.1103 / PhysRevB.62.8180.
  27. ^ Hanbicki, A.T .; Jonker, B.T .; Ицкос, Г .; Kioseoglou, G .; Петру, А. (2002). «Эффективная инжекция электрического спина из контакта магнитный металл / туннельный барьер в полупроводник». Письма по прикладной физике. 80 (7): 1240. arXiv:cond-mat / 0110059. Bibcode:2002АпФЛ..80.1240Х. Дои:10.1063/1.1449530. S2CID  119098659.
  28. ^ Цзян, X .; Wang, R .; Van Dijken, S .; Shelby, R .; MacFarlane, R .; Соломон, G .; Харрис, Дж .; Паркин, С. (2003). «Оптическое обнаружение инжекции спина горячих электронов в GaAs из источника на магнитном туннельном транзисторе». Письма с физическими проверками. 90 (25): 256603. Bibcode:2003PhRvL..90y6603J. Дои:10.1103 / PhysRevLett.90.256603. PMID  12857153.
  29. ^ Kikkawa, J .; Авшалом, Д. (1998). «Резонансное спиновое усиление в GaAs n-типа». Письма с физическими проверками. 80 (19): 4313. Bibcode:1998ПхРвЛ..80.4313К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.80.4313.
  30. ^ Йонкер, Беренд Т. Поляризованное оптическое излучение из-за распада или рекомбинации спин-поляризованных инжектированных носителей - Патент США 5874749 В архиве 12 декабря 2009 г. Wayback Machine. Выпущено 23 февраля 1999 г.
  31. ^ Lou, X .; Adelmann, C .; Crooker, S.A .; Гарлид, Э. С .; Zhang, J .; Редди, К. С. М .; Flexner, S.D .; Palmstrøm, C.J .; Кроуэлл, П. А. (2007). «Электрическое обнаружение спинового транспорта в устройствах латеральный ферромагнетик – полупроводник». Природа Физика. 3 (3): 197. arXiv:cond-mat / 0701021. Bibcode:2007НатФ ... 3..197л. Дои:10.1038 / nphys543. S2CID  51390849.
  32. ^ Appelbaum, I .; Хуанг, Б .; Монсма, Д. Дж. (2007). «Электронное измерение и контроль спинового транспорта в кремнии». Природа. 447 (7142): 295–298. arXiv:cond-mat / 0703025. Bibcode:2007Натура.447..295A. Дои:10.1038 / природа05803. PMID  17507978. S2CID  4340632.
  33. ^ Utić, I .; Фабиан, Дж. (2007). «Спинтроника: кремниевые скрутки». Природа. 447 (7142): 268–269. Bibcode:2007Натура.447..268Z. Дои:10.1038 / 447269a. PMID  17507969. S2CID  32830840.
  34. ^ Голуб, М .; Шин, Дж .; Saha, D .; Бхаттачарья, П. (2007). «Инжекция электрического спина и снижение порога в полупроводниковом лазере». Письма с физическими проверками. 98 (14): 146603. Bibcode:2007PhRvL..98n6603H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.98.146603. PMID  17501298.
  35. ^ Van Dijken, S .; Цзян, X .; Паркин, С.С.П. (2002). "Работа при комнатной температуре туннельного магнитного транзистора с большим выходным током". Письма по прикладной физике. 80 (18): 3364. Bibcode: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).
  37. ^ Математически это соответствует переходу от группы вращений SO (3) к ее релятивистскому покрытию, «двойной группе» SU (2).
  38. ^ а б Юнгвирт, Т .; Марти, X .; Wadley, P .; Вундерлих, Дж. (2016). «Антиферромагнитная спинтроника». Природа Нанотехнологии. Springer Nature. 11 (3): 231–241. arXiv:1509.05296. Дои:10.1038 / nnano.2016.18. ISSN  1748-3387. PMID  26936817. S2CID  5058124.
  39. ^ а б Гомонай, О .; Юнгвирт, Т .; Синова Дж. (21 февраля 2017 г.). «Концепции антиферромагнитной спинтроники». Physica Status Solidi RRL. Вайли. 11 (4): 1700022. arXiv:1701.06556. Дои:10.1002 / pssr.201700022. ISSN  1862-6254. S2CID  73575617.
  40. ^ Чапперт, Клод; Ферт, Альберт; ван Дау, Фредерик Нгуен (2007). «Появление спиновой электроники в хранении данных». Материалы Природы. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 6 (11): 813–823. Bibcode:2007НатМа ... 6..813C. Дои:10.1038 / nmat2024. ISSN  1476-1122. PMID  17972936.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка