Основы спинтроники

Основные положения лекции 1

При своих перемещениях электроны переносят не только электрический заряд, но и свой спин. Магниторезистивные считывающие головки и магниторезистивная оперативная память стали первыми реальными воплощениями спинтроники – нового раздела электроники, в котором используются явления спин-зависимого переноса электрического заряда и переноса спина. Переворот спина не связан со значительными затратами энергии и происходит за несколько пикосекунд. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, и это практически не приводит к выделению тепла. Поэтому спинтронные элементы информатики, построенные из них устройства и системы могут иметь высокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем в случае обычных электронных элементов.

Разработаны и изучаются уже много спинтронных элементов: спиновый клапан, спин-вентильный транзистор, туннельный спин-вентильный транзистор, спин-транзистор с полупроводниковой базой, спиновый полевой транзистор, спинтронное реле. Активно развивается схемотехника спинтроники.

В результате осознания важности явления спин-зависимого переноса электронов сформировалось понятие "спин-поляризованного" электрического тока. Это – электрический ток, при котором одновременно с переносом электрического заряда переносится и спин. Такой ток характеризуют "степенью спин-поляризации". Свыше 100 лет электроника имела дело лишь с не поляризованными электрическими токами. Теперь начало формироваться также понятие "спин-тока" или "спин-транспорта". Аналогично определению электрического тока, спин-ток определяется как суммарный спин, который переносится через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Особенно важным для практики стало понятие магнитного спин-тока, который определяется как магнитный момент, переносимый через поперечное сечение проводника за единицу времени. Между спин-поляризованным электрическим током i со степенью поляризации P и соответствующим ему магнитным спин-током существует соотношение где i задают в амперах, а магнитный спин-ток – в единицах "Вт/Тл".

Перенос магнитного момента при протекании спин-поляризованного электрического тока является основой метода спин-транспортного перемагничивания (СТП) ферромагнетиков. Этот метод позволил на порядок уменьшить ток записи в магниторезистивную оперативную память и значительно уменьшить площадь магниторезистивных ячеек.

Опыты доказали возможность протекания "чистого" спин-тока, который переносит спин, но не переносит электрический заряд. "Чистый" спин-ток возникает тогда, когда в проводнике появляется градиент концентрации спин-поляризованных электронов. Разность в концентрации спин-поляризованных электронов по аналогии с понятием электродвижущей силы (ЭДС) можно назвать "спин-движущей силой" (СДС). Как и ЭДС, СДС может стационарно поддерживаться лишь за счет работы какой-то "сторонней силы".

При контакте ферромагнетика (ФМ) с нормальным (не ферромагнитным) проводником в прилегающей области нормального проводника несколько повышается концентрация электронов с ориентацией спинов в соответствии с намагниченностью ФМ. Поэтому эта область тоже слегка намагничивается. Когда к контакту приложено внешнее электрическое напряжение такое, что электроны из ФМ инжектируются в нормальный проводник, сквозь последний течет спин-поляризованный ток. Концентрация электронов с ориентированными спинами в области, прилегающей к контакту, резко возрастает. Это называют "аккумуляцией" или "накоплением" спинов. В ходе своего теплового движения и дрейфа электроны с ориентированными спинами в результате рассеяний изменяют ориентацию своего спина. Этот процесс называют "спиновой релаксацией". Он характеризуется средним временем релаксации спинов и длиной диффузии спин-поляризованных электронов.

При контакте ферромагнетика с полупроводником тоже имеет место инжекция спин-поляризованного электрического тока, но она оказывается очень неэффективной. Более эффективным в этом плане оказался контакт "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник", хотя и его эффективность не очень высока. Длина диффузии спин-поляризованных электронов в кремний оказалась довольно значительной – свыше 100 мкм.

В последние десятилетия синтезируется и изучается широкий спектр магнитных полупроводников, в частности "разбавленных магнитных полупроводников" (РМП), – легированных марганцем или другими "магнитными" атомами, а также нанокомпозитные ферромагнитные полупроводники, в состав которых входят магнитные структуры пониженной размерности – наночастицы, нанопроволоки или квантовые плоскости из ферромагнетиков. Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников намного эффективнее, да и степень его спин-поляризации может быть намного выше, – вплоть до 100%.

Используя эти достижения, уже удалось создать, например, спинтронные светодиоды и прототипы спиновых аккумуляторов. Промышленно выпускаются спинтронные светодиоды на основе p-n-перехода в AlGaAs, излучение которых циркулярно поляризовано. Это весьма ценно для ряда высокотехнологических применений и существенно расширяет возможности кодирования информации.

Спиновый аккумулятор запасает энергию в виде намагниченности ферромагнитных наночастиц, которые в процессе эксплуатации постепенно размагничиваются. Для восстановления их надо снова намагнитить в ином направлении. Зарядка такого аккумулятора не требует гальванического контакта. Такие аккумуляторы могут стать эффективным источником электропитания для спинтронных схем, в т.ч. вживляемых в тело человека.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое "спинтроника"? Чем она привлекательна?
2. Как работает спиновый клапан? Изобразите его структуру.
3. Что такое "магнитный туннельный переход"? Чем он отличается от спинового клапана?
4. Как устроена спинтронная гальваническая развязка?
5. Как зависит коллекторный ток спин-вентильного транзистора от напряженности внешнего магнитного поля?
6. Чем отличается туннельный спин-вентильный транзистор? Изобразите его структуру.
7. Можете ли Вы изобразить структуру и объяснить работу спин-транзистора с полупроводниковой базой?
8. Как устроен спинтронный полевой транзистор? Объясните его работу.
9. Что такое "спинтронное реле"? Изобразите и объясните его статическую передаточную характеристику.
10. Можно ли построить логические схемы из спинтронных реле? Объясните как.
11. Что такое "спин-поляризованный электрический ток"? Как определяют степень его спин-поляризации? Напишите и объясните формулу.
12. Что такое магнитный спин-ток? Напишите и объясните соотношение между спин-поляризованным электрическим током и соответствующим ему магнитным спин-током.
13. Что такое "спин-транспортное перемагничивание"? В чем заключается его физическая сущность?
14. Что дает спин-транспортное перемагничивание для улучшения характеристик магниторезистивных ОЗУ?
15. Что мы понимаем под "чистым" спин-током? Можно ли его получить? Если можно, то как? Если нельзя, то почему?
16. Что такое "спин-движущая сила"? Объясните ее возникновение при нагревании одного из концов ферромагнитного проводника.
17. "Что такое "аккумуляция спинов"? Что понимают под "спиновой релаксацией"? Какими параметрами ее характеризуют?
18. Почему инжекция спин-поляризованного тока из ферромагнетика в полупроводник является неэффективной?
19. Что такое "ферромагнитные полупроводники"? "Разбавленные магнитные полупроводники"?
20. Почему инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников намного эффективнее, чем из ферромагнитных металлов?
21. Как устроены спинтронные светодиоды? Какую привлекательную особенность они имеют?
22. Как устроен спин-аккумулятор? Какую привлекательную особенность он имеет?