Войти
Spintronics (portmanteau означает спиновая транспортная электроника ), также известная как спиновая электроника, представляет собой исследование собственного спина электрона и связанного с ним магнитного момента ., помимо основного электронного заряда, в твердотельных устройствах. Область спинтроники касается спин-зарядовой связи в металлических системах; аналогичные эффекты в изоляторах относятся к области мультиферроиков.
Спинтроника принципиально отличается от традиционной электроники тем, что, помимо зарядового состояния, спины электронов используются как дополнительная степень свободы, что влияет на эффективность данных. хранение и передача. Системы спинтроники чаще всего реализуются в разбавленных магнитных полупроводниках (DMS) и сплавах Гейслера и представляют особый интерес в области квантовых вычислений и нейроморфных вычисления.
Спинтроника возникла в результате открытий в 1980-х годах, касающихся спин-зависимых явлений переноса электронов в твердотельных устройствах.. Это включает наблюдение спин-поляризованной электронной инжекции из ферромагнитного металла в нормальный металл Джонсоном и Силсби (1985) и открытие гигантского магнитосопротивления независимо Альбертом Фертом. и др. и Петер Грюнберг и др. (1988). 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. Использование полупроводников в спинтронике началось с теоретического предложения спинового полевого транзистора Датта и Дасом в 1990 г. и электрического дипольного спинового резонанса Рашбы в 1960 году.
спин электрона - это внутренний угловой момент, который отделен от углового момента из-за его орбитальное движение. Величина проекции спина электрона на произвольную ось равна 
.В твердом теле спины многих электронов могут действовать вместе, влияя на магнитные и электронные свойства материала, например он с 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. Поляризация любого свойства X, зависящего от спина, 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 ), обменную энергию, присутствующую в ферромагнетике, или выведение системы из состояния равновесия. Период времени, в течение которого может поддерживаться такая неравновесная популяция, известен как время жизни спина, 
В диффузионном проводнике спиновая диффузия длина 
График, показывающий вращение вверх, вниз и результирующую спин-поляризованную популяцию электронов. Внутри спинового инжектора поляризация постоянна, в то время как вне инжектора поляризация экспоненциально спадает до нуля по мере того, как популяции со спином вверх и вниз приходят к равновесию. Механизмы распада спин-поляризованной популяции можно в общих чертах классифицировать как спин -флип-рассеяние и расфазировка спина. Рассеяние с переворотом спина - это процесс внутри твердого тела, который не сохраняет спин, и поэтому 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 прецессии спина электрона. В ограниченных структурах спиновая дефазировка может быть подавлена, что приводит к времени жизни спина в миллисекунды в полупроводниковых квантовых точках при низких температурах.
Сверхпроводники могут усиливать центральные эффекты в спинтронике, такие как эффекты магнитосопротивления, время жизни спина и спиновые токи без диссипации.
Самый простой метод генерирования спин-поляризованного тока в металле - пропускать 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 промежуточным 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 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 металлов:
Энергонезависимые устройства спиновой логики, обеспечивающие масштабирование, активно изучаются. Были предложены логические устройства на основе крутящего момента с передачей вращения, которые используют спины и магниты для обработки информации. Эти устройства являются частью исследовательской дорожной карты ITRS. Приложения логической памяти уже находятся в стадии разработки. Обзорную статью за 2017 год можно найти в разделе «Материалы сегодня».
Считывающие головки магнитных жестких дисков основаны на эффекте GMR или TMR.
Motorola разработала 256 kb магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM) первого поколения на основе одного магнитного туннельного перехода и одного транзистора, который имеет цикл чтения / записи менее 50 наносекунд. Everspin с тех пор разработал версию 4 Mb. В разработке находятся два метода MRAM второго поколения: терморегулирующая коммутация (TAS) и передача крутящего момента (STT).
Другая конструкция, Память беговой дорожки, 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 ранее, и дольше, чем продолжительность тактового цикла современного процессора.
Легированные полупроводниковые материалы демонстрируют слабый ферромагнетизм. 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. Неоксидные ферромагнитные полупроводниковые источники (такие как арсенид галлия, легированный марганцем), увеличивают сопротивление интерфейса с помощью туннельного барьера или с помощью инжекции горячих электронов.
Обнаружение спина в полупроводниках решалось с помощью нескольких методов:
Последний метод использовался для преодоления недостатка спин-орбитального взаимодействия и проблем с материалами для достижения спинового транспорта в кремнии.
, поскольку внешние магнитные поля (и поля рассеяния от магнитных контактов) могут вызывать большие холловские эффектов и магнитосопротивления в полупроводниках (которые имитируют эффекты спинового клапана ), единственным убедительным доказательством переноса спина в полупроводниках является демонстрация прецессии спина и расфазировка в магнитном поле ield неколлинеарен инжектированной спиновой ориентации, называемой эффектом Ханле.
Приложения, использующие спин-поляризованную электрическую инжекцию, продемонстрировали снижение порогового тока и управляемый когерентный световой выход с круговой поляризацией. Примеры включают полупроводниковые лазеры. Будущие приложения могут включать спиновой транзистор, имеющий преимущества перед устройствами MOSFET, такие как более крутой подпороговый наклон.
Магнитно-туннельный транзистор : Магнитно-туннельный транзистор с одним базовым слоем имеет следующие выводы:
Магнитоток (MC) задается как:
И коэффициент передачи (TR) равен
МТТ обещает источник электронов с сильной спин-поляризацией при комнатной температуре.
Антиферромагнитные носители данных были изучены в качестве альтернативы ферромагнетизму, тем более что с антиферромагнитным материалом биты могут храниться 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».).
Основными преимуществами антиферромагнитного материала являются:
В настоящее время ведутся исследования, как считывать и записывать информацию в антиферромагнитную спинтронику, поскольку их чистая нулевая намагниченность затрудняет это по сравнению с традиционной 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, которые в настоящее время исследуются в антиферромагнетиках, основаны на вращающем моменте с передачей спина и вращающем моменте на орбите из спинового эффекта Холла и эффекта Рашбы. Также изучается считывание информации в антиферромагнетиках с помощью эффектов магнитосопротивления, таких как туннельное магнитосопротивление.
| journal =()