НОУ ІНТУІТ, Лекція, Основи спинтроніки
Фізики вже понад 80 років знають, що електрони, переміщаючись, переносять із собою не лише свій електричний заряд, а й свій спин, з яким пов'язані власний магнітний момент та механічний момент обертання електрона. Однак електроніка понад 100 років ігнорувала цей факт – спочатку тому, що не знала про це, а потім тому, що у звичайних (не феромагнітних) металах і напівпровідниках одночасно рухається безліч електронів провідності з різними випадковими орієнтаціями спина. Тому сумарний середньостатистичний перенесення спинів практично дорівнює нулю. І фахівці з електроніки просто не помічали ні переносу спинів, ні спинову залежність характеристик перенесення електронів. Навіть у не намагнічених феромагнітних металах, у яких магнітні моменти різних доменів орієнтовані хаотично, перенесення спинів було непомітним. Лише після відкриття гігантського, тунельного та колосального магніторезистивних ефектів "крига скресла". Описані вище магніторезистивні зчитувальні головки, в яких використовуються особливості електричного струму у феромагнетиках, та магніторезистивна оперативна пам'ять стали першими реальними втіленнями спинтроніки – щодо нового розділу електроніки, в якому використовуються явища спин-залежного перенесення електричного заряду та перенесення спина.
Дослідження та розробки в області спинтроніки нині переживають справжній "бум". Він пояснюється тим, що переворот спина не пов'язаний із значними витратами енергії та відбувається дуже швидко – за кілька пікосекунд (10 -12 с). При зміні спрямування спина кінетична енергія електрона не змінюється, і це практично не призводить до виділення тепла. Тому й очікують, що спинтронні елементи інформатики та побудовані з них пристрої та системиматимуть надвисоку швидкодію за витрат значно меншої енергії, ніж у випадку звичайних електронних елементів.
Феромагнітна елементна база спинтроніки
Спиновий клапан
Практично у всіх запропонованих досі пристроях спинтроніки використовуються феромагнітні елементи. Структура першого та найвідомішого з них, який отримав "романтичну" назву "спиновий клапан" або "спиновий вентиль" (англ. spin valve), показана на рис. 1.1 ліворуч. По суті, це описаний вже вище магніторезистивний осередок на основі явища "гігантського магнетоопору".
Спиновий клапан складається з двох звичайних електродів (Ел1 та Ел2), "вільного" феромагнетика (СФМ), дуже тонкого шару нормального, не феромагнітного металу (НМ) і "фіксованого" феромагнетика (ФФМ). Магніторезистивну комірку на основі явища "тунельного магнетоопору", зображену на рис. 1.1 праворуч, називають "магнітним тунельним переходом" (Manetic Tunnel Junction - MTJ). Тут ТП - це надтонкий шар діелектрика, крізь який відбувається тунелювання електронів.
Основною характеристикою цих спинтронних пристроїв є залежність прохідного електричного опору пристрою або електричного струму, який протікає крізь нього (при постійному доданому напрузі), від індукції зовнішнього магнітного поля.Приклад такої характеристики наведено в попередньому циклі лекцій на рис. 11.9 праворуч.
На основі спинового клапана або магнітного тунельного переходу можна реалізувати спінтронну гальванічну розв'язку двох електричних схем (рис. 1.2 зліва). Коли через шину входу пропускають вхідний струм (Івх) того чи іншого напряму, то створюване ним магнітне поле перемагнічує "вільний"феромагнетик у відповідному напрямку. А від цього залежить величина вихідного струмуІвих Вхідний і вихідний ланцюги при цьому гальванічно розв'язані.
Робота такого спинтронного пристрою аналогічна до роботи оптоелектронної гальванічної розв'язки, схема якої показана на рис. 1.2 праворуч. Вхідний струмІвх тече тут через світлодіод(ЦД)оптично пов'язаний з фоторезистором(ФР). Але спинтронний аналог при нанорозмірах магніторезистивного осередку працює незрівнянно швидше: частота перемикань досягає декількох десятків гігагерц.
Спин-вентильний транзистор
Запропоновано багато варіантів спинтронних транзисторів. Ми розглянемо лише деякі з них. Одним із перших був спін-вентильний транзистор – спинтронний аналог напівпровідникового транзистора з металевою базою. Його структура (ліворуч) та відповідна енергетична діаграма (праворуч) показані на рис. 1.3. База цього транзистора є спиновим клапаном (вентилем), наноструктура якого детальніше зображена в круглій виносці.
"Вільний" феромагнетик із сплавуNiFeмає коерцитивну силу приблизно 400 А/м, а "фіксований" (з кобальту) - приблизно 1600 А/м. Не феромагнітний прошарок і контакт із колектором виконані із золота, а контакт із емітером(Ем-р)– із платини. На межі поділу між базою та напівпровідниками утворюються бар'єри Шоттки. Бар'єрPt-Siприблизно на 0,1 еВ вище бар'єруAu-Si. На енергетичній діаграмі праворуч ці потенціали Шоттки позначені через ?Ш1 і ?Ш2. Уздовж горизонталі відкладено потенційну енергію електронів, уздовж вертикалі вниз – координата на перпендикулярідо площини шарів. Штриховими вертикальними лініями позначені рівні ФерміEФ в емітері, в базі та в колекторі, а черезUЕБ таUБК – перепади напруги між базою та емітером і відповідно між базою та колектором.
СтрумIБ з емітера до бази підбирають так, щоб електрони входили в базу перпендикулярно шарам спинового вентиля. Через наявність бар'єру Шоттки в базу можуть пройти лише гарячі електрони. У багатошаровій основі більшість цих електронів орієнтуються спинами вздовж напрямку намагніченості "вільного" феромагнітного шару. Далі вони проходять крізь дуже тонкий, не магнітний шар золота, і потрапляють у "фіксований" феромагнітний шар кобальту. Якщо орієнтація більшості спинів паралельна намагніченості цього шару, то вони проходять крізь нього, а якщо антипаралельна, то не проходять і утворюють струм бази (IБ). Після можливих рідкісних розсіянь в базі електрони втрачають частину своєї кінетичної енергії, але потім набирають її, прискорюючись завдяки напрузі між базою і колектором. Багатьом із них цієї енергії достатньо, щоб пройти крізь бар'єр Шоттки на контактіAu-Si. В результаті струм колектора (IК) істотно залежить від взаємної орієнтації намагніченості "вільного" та "фіксованого" феромагнетика. А цю орієнтацію можна змінювати зовнішнім магнітним полем.
На рис. 1.4 типова залежність колекторного струму (IК) від напруженості зовнішнього магнітного поляН. Коли ця напруженість перевищує коерцитивну силу плівки кобальту, напрями намагніченості обох феромагнітних шарів збігаються, і крізь спин-вентильний транзистор тече максимальний струм (точка 1). ЯкщоНзменшувати, то трохи зменшується струм струму колектора. КолиНзменшиться до 0, почнезростати у протилежному напрямку і досягне величини коерцитивної сили "вільного" феромагнетика (точка 2), тоді шарNiFeперемагнічується в протилежному напрямку, внаслідок чого колекторний струм різко падає.
Якщо і далі збільшуватиНу протилежному напрямку, то при досягненні значення коерцитивної сили шару кобальту (точка 3) починається перемагнічування цього шару також у напрямку магнітного поля, внаслідок чого напрямки намагніченості обох феромагнітних верств знову збігаються, і колекторний різко зростає. При більших значенняхНколекторний струм знову досягає найбільшого значення (точка 4). Якщо напруженість магнітного поля зменшувати (пунктирна лінія), все повторюється дзеркально симетрично (точки 5, 6, 1).
В описаному спін-вентильному транзисторі колекторний струм значно менше, ніж струм емітера і бази, тому посилення струму або потужності не спостерігається. Тим не менш, чутливість до змін магнітного поля поблизу точок 2, 3, 5 та 6 досить велика. Струм змінюється майже втричі в діапазоні кілька ерстед з дуже швидкою (пікосекундною) реакцією. Такий транзистор, як бачимо. має ще й власну "пам'ять", яка не залежить від вимкнення живлення, та по-різному "реагує" на зміни магнітного поля залежно від стану, в якому він знаходиться.