Спинтроника как предчувствие. Основы спинтроники

Рассмотрим теперь, что происходит на контакте ферромагнетика с полупроводником (рис. 1.17). Поскольку концентрация носителей заряда в полупроводнике намного меньше, чем в ферромагнитном металле, то из последнего в полупроводник диффундируют намного больше электронов. Динамическое равновесие устанавливается лишь тогда, когда на контакте сформируется значительный потенциальный барьер – "барьер Шоттки" (рис. 1.17,a). Из-за этого в области полупроводника, прилегающей к контакту, имеет место значительное искривление зон (валентной, запрещенной и зоны проводимости).

Рис. 1.17.

Когда к контакту приложено небольшое напряжение U ("+" к полупроводнику), мало что изменяется. Сквозь барьер Шоттки электрический ток не течет до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, близкой к высоте барьера. Тогда становится возможным туннелирование электронов сквозь узкий барьер (рис. 1.17,б).

Поляризованные электроны из ферромагнетика входят в полупроводник с энергией, намного превышающей тепловую. Такие "горячие" электроны очень интенсивно рассеиваются и быстро теряют ориентацию своих спинов. Поэтому инжекция спин-поляризованного электрического тока из ферромагнитного металла в полупроводник оказывается очень неэффективной .

Более эффективным в этом плане оказалась структура "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник" (рис. 1.17,в). Искривление зон в полупроводнике, отделенном от металла диэлектриком, незначительно. Если толщина диэлектрика очень мала (~1 нм), то уже при небольших напряжениях начинается туннелирование. Инжектированные спин-ориентированные электроны входят в полупроводник не такими "горячими", как в случае барьера Шоттки. И поэтому время их спин-релаксации значительно больше. Именно поэтому, например, в спин-транзисторе с полупроводниковой базой (рис. 1.6) между полупроводником и ферромагнетиками используют сверхтонкие туннельные переходы (на рис. 1.6 – из нитрида кремния).

Используя сверхтонкий туннельный переход, в 2007 г. на примере спин-транзистора, структура которого показана на рис. 1.18 , было установлено, что инжектированные в высокочистый кремний спин-поляризованные электроны могут иметь довольно большое время спин-релаксации и диффундировать на значительные (в масштабах нано- и даже микромира) расстояния – до 350 мкм

На пластину высокочистого кремния (Si (пл.)) толщиной 350 мкм сверху был нанесен слой металлизации (Al/Cu ) толщиной 10 нм, сверхтонкий туннельный слой Al 2 O 3 , слой ферромагнетика (CoFe) толщиной 10 нм и металлизация из алюминия (Al) . Эта структура выполняла роль эмиттера спин-поляризованных электронов. Снизу на пластину кремния (Si (пл.)) были нанесены слои ферромагнетика (NiFe) и меди (Cu) оба толщиной 4 нм. На последнем был выращен слой кремния n -типа (n-Si) и омический контакт из индия (In) .

Когда на эмиттер подавалось напряжение U Э, из ферромагнетика (CoFe) в кремний через сверхтонкий туннельный барьер (Al 2 O 3 и тонкий слой металлизации (Al/Cu) инжектировались электроны проводимости со спинами, ориентированными в направлении намагниченности ферромагнетика. Под действием напряжения U К1 , приложенного к коллекторному слою ферромагнетика (NiFe) , эти электроны дрейфуют сквозь пластину кремния. Время их спин-релаксации и длина диффузии оказались достаточными, чтобы заметная их часть прошла к коллектору. Направление ориентации спинов можно было определить, изменяя направление намагниченности "свободного" ферромагнетика. В этом случае ток коллектора резко уменьшался. Слой кремния n -типа (n-Si) использовался для дополнительного усиления и более точного измерения сигналов .

Ферромагнитные полупроводники

Туннельный переход, улучшая условия инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник, все же создает повышенное электрическое сопротивление и требует увеличенных рабочих напряжений. Поэтому ученые обратили особое внимание на возможную альтернативу – на использование в качестве источника спин-поляризованного тока не металлических, а полупроводниковых ферромагнетиков – т.н. ферромагнитных полупроводников (ФП). Еще в 70-х годах ХХ в. изучались такие ФП, как халькогениды европия и шпинели типа CdCr 2 Se 4 [Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. – М.: Наука. – 1979. – 431 с.]. Однако они обнаруживали ферромагнитные свойства лишь при низких температурах.

В последние два десятилетия ХХ в. интенсивно изучались т.н. "разбавленные магнитные полупроводники" (РМП, англ. diluted magnetic semiconductors, DMS). Это – классические полупроводники типа A 2 B 6 и A 3 B 5 , сильно, до максимально возможной растворимости, легированные атомами переходных ("магнитных") металлов, чаще всего марганца (Mn – поскольку он имеет наибольшую растворимость). Обменное взаимодействие электронов из частично заполненных d- и f- оболочек магнитных ионов с зонными носителями заряда основного полупроводника существенно изменяет свойства последнего и приводит к появлению не только ферромагнетизма, но и многих новых явлений, которые могут быть перспективными для практических применений. Однако у большинства таких РМП температура Кюри оказалась ниже комнатной (напр., у Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 K – в зависимости от технологии изготовления; у Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 80 K). И только у широкозонных полупроводников температура Кюри оказалась выше комнатной (у Ga 1-x Mn x N , напр., TK = 400 K). У GaN , легированного гадолинием (магнитный момент его атома равен 8 магнетонам Бора), тонкие пленки становятся ферромагнитными даже в случае, когда один атом гадолиния приходится почти на миллион ионов галлия и азота. Позднее оказалось, что, используя дополнительные легирующие элементы (Zn, C d и др.), можно существенно повысить температуру Кюри также и узкозонных полупроводников (напр., на основе InSb-Mn: Zn, Cd удается получить непрерывный ряд РМП с TK = 320-400 K).

В последнее десятилетие синтезируется и изучается значительно более широкий спектр магнитных полупроводников. Ферромагнитные свойства при температурах выше комнатной выявлены даже у таких классических полупроводников, как кремний и германий, легированных марганцем или другими „магнитными" атомами. Здесь многое зависит от технологии легирования и от применения дополнительных легирующих элементов.

На контакте ферромагнитного полупроводника с обычным полупроводником такого же типа проводимости не возникает значительных барьеров (рис. 1.19,а,б). Если ФП и обычный полупроводник имеют разные типы проводимости, то возникает р-п -переход, прохождение электрического тока сквозь который возможно лишь в одном направлении (рис. 1.19,в,г). На рис. 1.19 кроме валентных зон (E В1 и E В2) и зон проводимости (E П1 и E П2) условно показаны также зоны d- и f- электронов (E fd), которые обычно также присутствуют в ферромагнитных полупроводниках. В зависимости от их положения относительно уровня Ферми (E Ф) они могут быть частично или полностью заполненными. Даже если они заполнены частично, электропроводность по таким зонам ограничена, так как f- и d- электроны имеют малую подвижность (большую эффективную массу).

Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников оказалась намного эффективней, чем из ферромагнитных металлов, и степень его спин-поляризации может быть намного выше – вплоть до 100% .

В последнее десятилетие активно синтезируются и изучаются также ферромагнитные полупроводниковые нанокомпозитные материалы, в состав которых входят магнитные структуры с пониженной размерностью – наночастицы, ферромагнитные нанопроволоки, сверхтонкие ферромагнитные пленки, представляющие собой квантовые плоскости. Температуры Кюри для таких нанокомпозитных полупроводников могут существенно отличаться от температуры Кюри соответствующего „чистого" полупроводника. Кроме того, появляются возможности значительно изменять свойства системы с помощью внешнего магнитного поля

Спинтронные светодиоды

Используя эти достижения, удалось создать, например, прототипы спинтронных светодиодов и спиновых аккумуляторов.

Спинтронные светодиоды на основе -перехода в отличаются тем, что их излучение циркулярно поляризовано. Это связано с тем, что в область гетероперехода, где происходит рекомбинация, в отличие от обычных светодиодов инжектируются спин-поляризованные электроны проводимости или спин-поляризованные "дырки". В AlGaAs (в GaAs и в других полупроводниках этой группы) разрешены оптические переходы при рекомбинации электронов, имеющих спин +1/2, лишь с дырками со спином –1/2, или наоборот – электронов, имеющих спин –1/2, лишь с дырками со спином +1/2. Поэтому фотоны, которые при этом излучаются, имеют спин ±1, т.е. являются право- или лево-поляризованными. Это – чисто квантовый эффект. Динамика вращения электрического вектора в такой циркулярно поляризованной световой волне показана на рис. 1.20 .

При поглощении циркулярно поляризованного света действуют те же самые правила отбора. В результате этого атомы, поглощающие циркулярно поляризованный фотон, переходят в состояния с магнитным квантовым числом, отличающимся на ±1 от исходного состояния. В ряде новейших технологий, о которых мы здесь не рассказываем, это свойство циркулярно поляризованного света используется для "оптического намагничивания" ансамблей атомов или для их "оптической накачки" – создания инверсной заселенности возбужденных состояний атомов.. На подложке из арсенида галлия p + (p + -GaAs ) последовательно нанесены слои GaAs:Be (20 нм), наночастицы ферромагнитного полупроводника MnAs диаметром около 3 нм, распределенные в матрице арсенида галлия толщиной 10 нм, туннельный барьер из арсенида алюминия (AlAs ), тонкая пленка арсенида галлия (GaAs , 1 нм) и ферромагнитный слой MnAs толщиной 20 нм. Сверху сформированы контакты из золота к подложке и к слою MnAs .

Если наночастицы MnAs с помощью внешнего магнитного поля перемагнитить в направлении, противоположном направлению намагниченности магнитожесткого слоя MnAs (ферромагнетик с фиксированной намагниченностью), то за счет инжекции из него через туннельный переход спин-поляризованных электронов на внешних выводах возникает электрическое напряжение. Если замкнуть внешнюю электрическую цепь, то к ферромагнитным наночастицам MnAs "потекут" электроны, спины которых ориентированы в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика. Эти электроны, накапливаясь, приводят к постепенной переориентации ферромагнитных наночастиц. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток прекращается, а вместе с ним прекращается и перемагничивание ферромагнитных наночастиц.

Можно заряжать бесконтактно. Такие аккумуляторы могут стать эффективным источником напряжения питания для спинтронных схем и для микроустройств, вживляемых в организм человека или животных.

Перспективные направления развития спинтроники

Спин-электронные сенсоры позиционирования и движения . Сенсоры на основе эффекта GMR, используемые для определения величины и направления магнитного поля, нашли широкое применение в следующих областях: хранение и считывание информации, программируемые вентильные матрицы, авиационная электроника, электронное машинное управление и автомобильные активные системы безопасности. Например, мировой рынок автомобильных датчиков, с ежегодным ростом более 10%, является одним из самых быстро развивающихся, в настоящее время он достиг 8,5 млрд евро. В последние годы основными тенденциями развития мирового автопрома являются улучшение управления двигателем внутреннего сгорания (с целью уменьшения автомобильных выбросов), тормозной и противоскользящей системами, устройствами безопасности и т.д. Поскольку эти технологии стремительно развиваются, на первое место встает усовершенствование спиновых магнитных сенсоров: повышение чувствительности, стабильности, надежности и подавление шумов.

Спиновый диод . Идея спинового двухконтактного диода впервые была предложена Мэтьюусом. Диод состоит из пятислойной магнитной системы, в которой три ферромагнитных слоя разделены слоями парамагнетика. Одна из наиболее удачных попыток практической реализации спинового диода была осуществлена в 2004 г. В будущем планируется использовать спиновые диоды как элементарные ячейки MRAM-памяти.

Когерентная квантовая спинтроника . В более далекой перспективе находится квантовая когерентная спинтроника. Имеются в виду устройства, размеры которых настолько малы, что квантовая когерентность волновой функции электрона сохраняется поперек устройства, связывая входящие и выходящие электрические сигналы. Нанотехнологии достигли такого уровня, что сегодня можно создавать устройства с масштабом 1 нм. Типичным примером является туннельный диод (Patent Application No FR9904227, France).

Квантовый компьютинг . Исследователи предсказывают широкое использование разработок спинтроники в сфере квантового компьютинга. Считается, что следующим серьезным этапом развития спинтроники станут устройства, в которых информация будет передаваться не посредством спинов электронов, а с использованием сложных кубитовых пар. Например, многоконтактные спиновые устройства, которые могут быть основаны на потоках запутанных кубитов. Практически реализовать подобное устройство можно на базе спин-электронных транзисторов.

Потенциал спинтроники не исчерпывается уже разра-ботанными и освоенными технологиями, описанными выше. Несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся уже более двух десятков лет, существует очень много нерешенных научных и технических проблем. Например, сейчас для изменения намагниченности участка ферромагнетика используется магнитное поле. Так как мы умеем создавать магнитное поле только при помощи электрического тока (постоянные магниты не в счет), то встает проблема локализации этого магнитного поля в ограниченном участке пространства. Чем меньше этот участок, тем более высокую плотность хранения информации на магнитном носителе можно получить (конечно, остаются еще вопросы подбора соответствующих магнитных материалов). В лабораториях физики твердого тела (Цюрих) и Стэнфордского университета был поставлен эксперимент, который показывает возможность изменения намагниченности материала при помощи потока электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин поляризованы). При помощи фотоэмиссии из полупроводникового катода, вызванной поляризованным светом, был получен пучок спин поляризованных электронов. Этот пучок был пропущен через магнитную пленку толщиной несколько нанометров. При пролете электронов через пленку спин электронов изменяется (это явление называется прецессией ). Так как ничто в природе не проходит бесследно, то и спины электронов в магнитной пленке также изменяются, что и означает изменение намагниченности вещества. Если число пролетевших электронов сравнимо с количеством атомов вещества, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметно. Эффект может быть использован как для записи информации, так и для считывания (при меньшей интенсивности пучка электронов). Потенциально данная технология может обеспечивать скорости перемагничивания (то есть фактически чтения-записи информации) до десятков гигагерц, но до этого исследователям придется пройти

еще очень длинный путь.

Другой интересный эффект состоит в получении чисто спинового потока электронов без переноса заряда. В эксперименте были сформированы два встречных потока электронов с противоположно направленным спином. Этот удивительный эффект достигнут при помощи двух импульсных поляризованных лазеров, частота одного из которых вдвое меньше, чем другого. Таким образом, достигнута передача спинового заряда без наличия разности потенциалов. Пока это явление наблюдается на расстояниях порядка нескольких десятков нанометров, но дальнейшие исследования в этом направлении продолжаются.

Одна из проблем спинтроники связана с используемыми материалами. Дело в том, что для спинтроники необходимы ферромагнетики, магнитные свойства которых и вызывают к жизни разнообразные эффекты с участием спинов электронов. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют усиливать электрический ток в транзисторах - в металлах такой эффект невозможен. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, являющийся полупроводником . В Северо-Западной тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан новый полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде нанометровых пленок методом молекулярной эпитаксии. В глубоком вакууме пучки атомов в нужном соотношении направляются на кристаллическую поверхность, где формируют необходимую кристаллическую структуру.

Другой подобный материал - это эпитаксиальная пленка из чередующихся прослоек соединений галлия: GaSb,GaMn. Магнитные свойства данного полупроводника сохраняются вплоть до 130°С, этого достаточно для нужд современной техники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических соединений . В Калифорнийском университете (Риверсайд) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62°С вещество из прозрачного (в инфракрасном спектре) изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например, фотоники. Правда, рабочая температура перехода несколько высока для использования, но ученые надеются уменьшить ее вариацией состава вещества.

В университете штата Огайо был исследован пластик - тетрацианоэтанид ванадия . Несмотря на своюорганическую природу, он имеет и магнитные свойства,сохраняющиеся вплоть до 130°С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволитв будущем создавать дешевую пластиковую память.

Нанокомпозиты в виде металлических проводок в поликарбонате или оксиде алюминия. Поликарбонатная пленка подвергается воздействию тяжелых высокоэнергетических заряженных частиц в ядерном реакторе. Проходя через поликарбонат, заряженные частицы оставляют треки с нарушенной (т.е. другой, отличной от остального массива) структурой. Затем эти треки вытравливаются в концентрированном растворе щелочи и таким образом формируются однородные сквозные цилиндрические поры. Плотность пор определяется продолжительностью пребывания мембраны в реакторе. Выпускаются мембраны со стандартными значениями плотности пор 10 6 , 10 8 , 6 . 10 8 , 10 9 и 10 10 пор/см 2 . По диаметру поры могут быть получены в широком диапазоне от 10 до 300 нм в зависимости от времени облучения пленки, температуры и концентрации раствора, а также времени травления. Толщина мембран может составлять от единиц до сотен микрон, диаметр как правило 13 мм. Для электроосаждения нанопроволок также могут использоваться мембраны из анодированного алюминия. Получение структуры в виде многослойных и гранулированных нанопроволок осуществляется исключительно методом электролити-ческого осаждения в поры мембран (рис.) из одного электролита как в потенциостатическом, так и в гальваностатическом импульсных режимах. Перед электроосаждением в поры для обеспечения электрического контакта на одной из сторон мембраны напыляется слой золота ~0,01 мкм (рис.).

Рис. Схематические изображения поликарбонатной мембраны и отдельной многослойной нанопроволоки (слева). Геометрия нанесения подслоя золота на мембрану (справа).

В отличие от электроосаждения в условиях плоской геометрии, когда вся поверхность катода подвергается воздействию электролита, при электроосаждении нанопроволок воздействию электролита подвергается только часть поверхности мембраны, называемая активной или истинной площадью осаждения. Ее можно рассчитать, зная количество пор на всей площади мембраны и площадь одной поры:

Рис. Типичная токовая кривая роста нанопроволок

Увеличение тока после точки В свидетельствует о начале выхода пленки поверх пор. Это соответствует номинальной толщине около 3,8 мкм. После этого начинает происходить слияние проволок на поверхности, и над проволоками возникают полусферические шапки. Толщина слоя меди примерно 30 нм, а толщина сплава Со-Ni 40 нм.

Рис. Схема установки для магниторезистивных измерений (гигантского магнетосопротивления)

Для проведения магниторезистивных измерений необходимо наличие верхнего проводящего контакта. Это достигается за счет осаждения некоторого количества материала поверх мембраны. После заполнения пор осаждаемое вещество начинает разрастаться в виде полусферических чаш, которые затем сливаются друг с другом (рис.)

В случае, когда поле параллельно оси нанопроволок, их петли гистерезиса характерны для перемагничивания вдоль оси легкого намагничивания. Если же внешнее поле перпендикулярно оси проволоки, то в этом случае для поворота всех моментов в этом направлении требуются намного большие поля, и в результате получается петля, характерная для намагничивания вдоль трудной оси.

Структура, магнитные и магниторезистивные свойства нанопроволок спин-клапанного типа. Среди магнитных наноматериалов особое место занимают многослойные (или мультислойные) структуры. В большой степени это связано с обнаруженным в них эффектом гигантского изотропного магнитосопротивления. Исследование этого явления, а также попытки разработчиков различных устройств магнитной микроэлектроники повысить величину изменения электросопротивления на единицу магнитного поля привели к появлению нового, более сложного семейства многослойных пленочных структур так называемого “спин-клапанного” типа . Они представляют собой уже периодическое чередование не двух, а трех и более слоев с различными магнитными параметрами . В этом случае процесс их перемагничивания анизотропен. При изменении прилагаемого внешнего магнитного поля по направлению вектора намагниченности, предварительно намагниченного до насыщения магнитожесткого слоя в диапазоне, меньшем его коэрцитивной силы, магнитомягкий слой будет перемагничиваться в этом направлении в поле ниже его коэрцитивной силы. А в противоположном направлении – в поле, большем его коэрцитивной силы. Эта разница в полях перемагничивания низко- и высококоэрцитивных слоев в многослойной структуре в противоположных направлениях и есть суть “клапанного” эффекта. Состояние многослойной структуры, когда магнитные моменты магнитомягких и магнитожестких слоев антипараллельны, является неустойчивым. И малое поле противоположной направленности приводит к скачкообразному перемагничиванию низкокоэрцитивных слоев. Именно поэтому и может быть достигнута высокая чувствительность магниторезистивного элемента.

Еще одним вариантом повышения величины магниторезистивного эффекта является изготовление многослойной структуры в виде нанопроволок. Это достигается исключительно методом импульсного электролитического осаждения в поры наномембран. Для нанопроволок легко реализуется геометрия магниторезистивного эффекта, когда электрический ток перпендикулярен границам раздела слоев в много-слойной структуре, что невозможно для обычных многослойных пленок с плоской геометрией. В этом случае все электроны проводимости вынуждены пересекать магнитные слои с периодически антипараллельной направленностью их магнитных моментов и, следовательно, эффект их рассеяния будет больше по сравнению с обычными многослойными структурами. Основная трудность заключается в том, что при варьировании потенциала осаждения (либо катодной плотности тока D K) необходимо подобрать такие условия осаждения (прежде всего состав электролита и режимы осаждения), когда лишь только одним изменением их (или D K) будет достигаться достаточно большая разница в составе и кристаллической структуре магнитных слоев и, следовательно, будет существенно различаться и их коэрцитивная сила. Указанным условиям могут удовлетворять пленки CoFeP и CoW, в которых содержание фосфора и вольфрама является функцией плотности тока. И, например, при малой плотности тока (D K ~ 10-20 мА/см 2) содержание фосфора достигает ~20-25 ат.%. При этом пленки CoFeP 25 являются аморфными магнитомягкими, а при содержании фосфора ~5-10 ат % (D K 70 мА/см 2) они поликристаллические и, соответственно, магнитожесткие. Подобное справедливо и для системы кобальт-вольфрам.

Для пишущих и считывающих головой обычно используют эффект гигантского магнетосопротивления (GMR), квантово-механический эффект, который обеспечил огромную емкость сегодняшних жестких дисков. Использование GMR
обеспечивает плотность памяти гораздо выше 100 гигабит на квадратный дюйм. В то время как в современных жестких дисках магнитные домены ориентированы в плоскости, у следующего поколения жестких дисков они будут располагаться перпендикулярно. Техника перпендикулярной записи (Рис. , внизу) обеспечит более плотную упаковку информации. Но она потребует более чувствительных записывающих и считывающих головок, которые могут быть изготовлены за счет еще более сложного эффекта туннельного магнетосопротивления (TMR). В этом смысле
компьютерные жесткие диски можно рассматривать как продукт нанотехнологий.

Рис. Эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) широко используется в жестких дисках. Seagate Technology LLC (сверху). Плотность хранения данных может быть увеличена за счет изменения ориентации магнитных областей. Перпендикулярная запись
обеспечивает более высокую плотность запаиси. VDI Technologiezentrum GmbH (внизу)

Спинтроника - устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics) или просто спин-электроника (spin-electronics).

Спинтроника объединяет области исследований и разработок наноэлектронных приборов и устройств на основе эффектов и явлений переноса спинов в качестве носителей информационного сигнала. Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра некоторых атомов. В спинтронике изучаются магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамика и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые - магнитные полупроводники - вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами. Зонная структура магнитного полупроводника отличается от двухзонной структуры обычных полупроводников, металлов и диэлектриков наличием особой - третьей зоны, которая образуется электронными d- и f- оболочками атомов переходных или редкоземельных элементов. Экспериментальная техника спинтроники включает в себя магнитооптическую спектроскопию с высоким (фемтосекундным) временным разрешением, микромеханическую магнитометрию, атомно- и магнитосиловую сканирующую микроскопию субатомного разрешения, сканирующую оптическую микроскопию ближнего поля, спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и др. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют созда­вать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами. Если в обычной твердотельной микро- и наноэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда, то в спинтронике используется представление информации с помощью магнитного момента квантовых частиц.

Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в сто раз. Стратегическая и экономическая значимости разработок в области спинтроники очевидна. 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).

В магнитоупорядоченных кристаллах спины взаимодействуют между собой двояким образом: это или обычное магнитное диполь-дипольное взаимодействие, или обменное взаимодействие. Два типа взаимодействия вызывают два рода уп­ругих сил в магнитном диэлектрике - магнитные и обменные силы. Первые являются дальнодействующими. Во взаимодействии принимают участие сразу много узлов кристаллической решетки и его часто называют коллективным.

В ближнем порядке между соседними атомами имеет место обменное взаимодействие. Обменные силы являются короткодействующими и хорошо описывают коротковолновые возмущения узлов кристаллической решетки. В этом случае смещения соседних узлов кристаллической решетки достаточно велики, и обменные силы выступают на первый план.

Таким образом, длинноволновые возмущения вызывают магнитные силы или магнитную упругость, а за коротковолновые возмущения - обменные силы или обменную упругость.

Наличие двух типов возмущения порождает возможность генерации и распространения двух видов волн - спиновых магнитостатических и спиновых обменных.

Волны первого типа называют магнитостатическими, второго - спиновыми. Деление спиновых волн на два типа весьма условно, и необходим одновременный учет вклада обоих типов взаимодействий (рис. 5.11).

Как отмечалось, различают несколько типов волн. Если длина волны l значительно больше размеров кристаллической решетки (l >> а), то в магнитоупорядоченных структурах могут распространяться медленные волны. Они обусловленны дальнодействующим диполь-дипольным взаимодействием. Волны этого типа называют магнито-статическими (МСВ). Эти волны способны переносить энергию в результате диполь-дипольного взаимодействия.

Рис.5 11. Схема формирование спиновой волны

Если длина волны возмущений (l ³ а), то такие волны обусловлены обменным взаимодействием, а волны этого типа носят название спиновых волн (СВ). Энергия в такого типа волнах переносится благодаря обмену. Существуют дипольнообменные волны, для которых дипольный и обменный механизмы переноса одинаково существенны.

Итак, спиновая волна представляет собой волну нарушения магнитной упорядоченности или элементарное возбуждение.

Квазичастицы, соответствующие спиновой волне, называются магнонами. Магноны, как и все квазичастицы, обладают энергией Е = ћw, квазиимпульсом р = ћk и магнитным моментом m.

В простейшем случае магнитный момент магнона равен магнитному моменту атома и направлен против равновесной намагниченности.

Практический интерес представляет поверхностная магнитодипольная волна или поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ). Ее групповая скорость совпадает по знаку с фазовой скоростью, их энергия и фаза перемещаются в одну и ту же сторону. Для пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) частота колебаний составляет порядка 10 ГГц при скорости распространения v = 4 - 10 6 см/с.

Уникальные свойства магнитостатических волн широко используются в элементах и приборах СВЧ-диапазона длин волн. Наибольшее распространение получили линии задержки на магнитостатических волнах.

Линии задержки представляют собой устройства для временной задержки электрических сигналов при несущественных искажениях их формы.

Теоретически могут быть разработаны линии задержки в широкой полосе частот с различным законом изменения времени задержки, например, постоянная задержка, линейная задержка и др.

Одна из конструкций линий задержки СВЧ-сигналов представлена на рис. 5.12. Линия задержки монтируется на подложке из оксида алюминия (искусственный сапфир, корунд). Управляющий экран является одновременно основанием возбуждающей микрополосковой линии. Входной и выходной СВЧ-сигналы проходят по компланарным волноводам, которые формируются в экране методом травления. На управляющий экран наносится стеклянная подложка толщиной порядка 20 мкм. Микрополоски размещались на стеклянной подложке и соединялись с проводниками компланарных линий. Входной и выходной микрополоски делаются достаточно узкими (до 50 мкм) для обеспечения необходимой ширины полосы возбуждения.

Рис. 5.12.Структура линии задержки на ЖИГ-пленке:

1 – ГГГ-подложка; 2 - ЖИГ-пленка; 3 – микрополосковая

линия; 4 – управляющий экран (серебро - золото);

5 – подложка из оксида алюминия; 6 – выход компланарной линии; 7 - вход компланарной линии

Отдельно готовится пленка железо-иттриевого граната (Y 3 Fe 5 О 12) на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) (Gd 3 Ga 5 O 12). Такое сочетание позволяет получить пленки высокой степени структурного совершенствования, небольшими потерями на частотах СВЧ-диапазона. Такой сэндвич ЖИГ-ГГГ помещается сверху на стеклянную подложку.

Таким образом, сформированная линия задержки на поверхностных МСВ работает в диапазоне порядка 10 ГГц, с полосой 200 МГц, задержкой в полосе порядка 100 нс/см при вносимых потерях порядка 10 дБ.

Одним из направлений, связанных с разработкой бездисперсионных перестраиваемых линий задержки на МСВ в широкой полосе частот, является использование каскадных схем. Это - последовательно включенные две линейно перестраи­ваемые ЛЗ с комплементарными характеристиками. С этой целью используются ЛЗ на поверхностных или прямых объемных МСВ с нормальной дисперсией или ЛЗ на обратных объемных МСВ с аномальной дисперсией.

Такие конструкции позволяют в определенных пределах модулировать по величине полную задержку сигнала Весьма интересное применение магнитостатические волны нашли в фильтрах СВЧ-сигналов. Такие фильтры имеют верхнюю частотную границу в области выше 50 - 60 ГГц и работают в реальном масштабе времени. Фильтры на МСВ способны легко перестраиваться по спектральному диапазону за счет изменения внешнего магнитного поля.

На магнитостатических волнах разработаны эффективные линии передачи, шумоподавители, полосковые замедляющие структуры и другие устройства СВЧ-диапазона.

В области наноэлектроники существует много идей использования спинов электронов в качестве носителей информационного сигнала в приборах и устройствах обработки и хранения информации.

Предложена конструкция транзистора, напоминающая конструкцию МДП-транзистора. Спин-электронное устройство должно содержать три основных элемента:

Генератор - исток для инжектирования спин-поляризованных электронов, спины которых выстроены в нужном направлении;

Устройство управления спиновым потоком в полупроводнике, например электрическое поле для перемещения электронов;

Детектор - сток для измерения результирующего спинового тока.

В качестве истока используется ферромагнетик, который инжектирует поток электронов со 100 %-ной спиновой поляризацией в канал транзистора. Стоком служит спиновой фильтр, который пропускает только электроны с соответствующей спиновой поляризацией. Спин-орбитальное взаимодействие внутри канала управляется напряжением затвора и производит поворот спинов. При повороте на 180 ° электроны уже не проходят в сток, ток равен нулю. Это и есть закрытое состояние транзистора. Потенциал затвора создает перпендикулярное электрическое поле в канале, которое вызывает анизотропию движения электронов относительно этого направления.

Следует подчеркнуть, что полевой спиновый транзистор работает совершенно на других принципах, нежели обычный полевой транзистор. Спиновый транзистор будет обладать низким управляющим напряжением, малым энергопотреблением и высоким быстродействием. Нужны поиски компромиссных решений потому, что уменьшение напряжения на затворе приводит к увеличению длины канала для эффективного поворота спинов.

Это снижает быстродействие и делает недопустимо большим ток в закрытом состоянии из-за процессов релаксации спина. Вывод такой: до тех пор, пока не разработают структуры, в которых гораздо более сильное спин-орбитальное взаимодействие, спиновый полевой транзистор будет уступать кремниевому. Следует добавить, что ни идеального 100 %-ного инжектора спинового тока, ни соответственно 100 %-ного фильтра пока не существует. Но это начало работ. Вспомним, как неуклюже выглядел первый транзистор - не чета нынешнему чуду прогресса.

Началось 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 движение 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.

Работы в области спинтроники и создания устройств на эффектах переноса спина только разворачиваются. Ожидается, что они будут иметь преимущество перед известными устройствами по переносу зарядов по таким параметрам, как разме­ры, быстродействие, диссипация энергии. Спины электронов, локализированные в квантовых точках, можно использовать как носители информационного сигнала для вычислительных устройств нового поколения.

В ближайшие годы спинтроника будет развиваться по трем главным направлениям: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память. Вполне возможно, что через 10 - 15 лет новая область науки - спинтроника будет так же важна, как сегодня важна электроника.

В течение одного лишь февраля 2013 года в инфотехнологических СМИ набрался целый букет весьма примечательных новостных сообщений о достижениях в области спинтроники. То есть о новой, принципиально иной разновидности электронных устройств, опирающихся в работе не на электрический заряд частиц-переносчиков, а на их спин — внутренне присущее частицам квантовое свойство, освоение которого сулит подлинную революцию в компьютерных технологиях.

Вот как, навскидку, выглядят лишь некоторые из последних известий спинтроники.

Два германских университета, Майнца и Кайзерлаутерна, успешно завершившие исследования по созданию чипа спинтронной памяти на основе так называемых компаундов Гейслера, получили от государства солидный грант в размере 3,8 миллиона евро — для скорейшего доведения наработанных технологий до стадии массового промышленного производства .

Ученые британского университета Кембридж сумели объединить в своей разработке два наиболее передовых направления исследований в области электроники — 3D-чипы и спинтронику . Благодаря этому им удалось создать и продемонстрировать прототип «первого в мире спинтронного 3D-процессора» (кавычки тут необходимы, так как на самом деле это далеко еще не полноценный процессор, однако творческие успехи исследователей сомнению не подлежат).

Специалистам Геттингенского университета — опять-таки в Германии — удалось придумать и синтезировать такую молекулу искусственного органического вещества, которая способна играть роль стабильной ячейки спинтронной памяти . При данном уровне миниатюризации спинтронное запоминающее устройство на основе недорогих органических материалов позволит хранить примерно петабайт данных (тысячу терабайт, или миллион гигабайт) на чипе размером около дюйма.

Если в этот же пакет новостей добавить еще несколько совсем недавних и очень впечатляющих — об успехах других исследовательских центров США, Японии и прочих стран, уже вплотную приблизивших спинтронные технологии к фазе промышленного производства, то становится очевидно: и вправду грядут большие перемены.

Ну а чтобы более отчетливо представлять, какого рода инфотехнологии приходят на смену обычной полупроводниковой электронике, имеет смысл чуть подробнее рассмотреть особенности спинтроники. Почему эта технология столь привлекательна, каковы труднейшие проблемы в ее освоении и как, наконец, удается эти проблемы обходить-преодолевать…

⇡ Естественная альтернатива

Среди специалистов нередко можно услышать мнение, согласно которому очевидные задержки с приходом давно ожидаемой спинтроники в нашу жизнь вызваны в первую очередь на редкость стабильным и успешным прогрессом в области традиционных полупроводниковых технологий. То есть время новой техники не настало лишь потому, что и старая еще хоть куда.

Эмпирическим законом Мура, как известно, установлено никак не доказуемое, но исправно работающее вот уже свыше полувека правило. Число элементов типовой микросхемы — проще говоря, производительность чипов — стараниями ученых и инженеров исправно продолжает удваиваться примерно каждые полтора года.

Почему так происходит, неизвестно. Но всем понятно, что бесконечно это продолжаться не может. Ибо нынешняя конструкция микросхем быстро движется к своим физическим пределам. Или иначе, все известные проблемы технологии — с литографией, материалами, охлаждением — дружно приближаются к такому состоянию, когда их преодоление не то чтобы абсолютно невозможно, но оказывается слишком уж дорогим и неэффективным.

Короче говоря, с одной стороны, явно требуется нечто иное. А с другой — давно уже есть понимание, как именно это иное почти наверняка будет выглядеть.

Наличие у частиц материи особого свойства под названием спин — обычно иллюстрируемого аналогиями с осью вращения волчка или двумя полюсами магнитной стрелки — было установлено еще на заре рождения квантовой механики. А поскольку квантовый спин электрона принимает лишь два возможных значения, условно именуемых «спин-вверх» и «спин-вниз», в этой конструкции довольно давно был замечен и весьма многообещающий инфотехнологический потенциал. По сути, в природе имеется уже готовый переносчик двоичной информации, кодирующий в направлении спина либо 1, либо 0.

И самое замечательное, что речь идет о том же самом электроне, который изначально фигурирует в основах и сердцевине микроэлектронной революции. Практически все полупроводниковые микросхемы построены на транзисторах, главную роль в работе которых играют перемещения электронов. Точнее, перемещения электрических зарядов, присущих электронам. В то время как спин электрона — открытый почти 90 лет назад — игнорируется в полупроводниковой индустрии, по сути дела, полностью...

Однако раз уж все согласны, что закон Мура должен действовать и дальше, то в качестве самой естественной и при этом более прогрессивной альтернативы обычной микроэлектронике ныне выступает технология под общим названием spintronics. Имя это чаще всего расшифровывают как SPIN TRansport electrONICS, то есть «электроника на основе переноса спина».

Масса достоинств и преимуществ новой технологии возрастает день ото дня. Среди важнейших — быстрота и экономичность. Ведь спин электрона можно переключать из одного состояния в другое за много меньшее время, чем требуется на перемещение заряда по схеме, а делается это с куда меньшими затратами энергии. Плюс к этому при перебросах спина не меняется кинетическая энергия носителя, значит, почти не выделяется тепло.

В совокупности все эти особенности технологии позволяют создавать на базе спина и спиновых токов (потоков электронных спинов единой полярности) существенно новые транзисторы, ячейки логики и памяти, которые заменят собой обычные транзисторы в интегральных микросхемах. А это, в свою очередь, позволит и далее придерживаться тенденции к миниатюризации электроники.

Попутно с развитием этой технологии выясняется, что спинтроника также открывает пути и к созданию совершенно новых типов устройств. Таких, к примеру, как светоизлучающие диоды (LED), порождающие свет с левой или правой круговой поляризацией, что очень полезно для приложений в области защиты, кодирования и уплотнения оптоэлектронных коммуникаций. Если заглянуть в будущее чуть-чуть подальше, выяснится, что уже наметилось появление таких спинтронных устройств, которые можно использовать как кубиты, то есть базовые элементы конструкции в квантовых компьютерах.

Но для того, чтобы спинтронная революция в полупроводниковой индустрии произошла, надо найти оптимальные компоненты технологии, поисками которых исследователи заняты вот уже второй десяток лет. Обычно тут принято выделять три главные задачи:

1. способы для инжекции (то есть «впрыска») спиновых состояний в схему;
2. манипуляции со спином внутри схемы;
3. детектирование спиновых состояний электронов после обработки.

Все эти задачи крайне желательно решить в условиях полупроводниковой среды, поскольку данные материалы, скорее всего, в обозримом будущем и далее будут оставаться главной физической базой для электроники.

Манипуляции со спином электронов считаются делом относительно простым и бесхитростным (коль скоро спин — словно стрелка компаса — очень чутко реагирует на переключение магнитного поля). Но вот создание надежных инжекторов и детекторов для хрупких спинов в условиях практичных приложений для массового производства — это все еще целый комплекс гигантских проблем.

⇡ Полигон и взлетная площадка

Дабы общее положение дел в спинтронике стало яснее, необходимо подчеркнуть, что манипуляции спином электронов — это большой и развитый бизнес уже сегодня. Но только за пределами полупроводниковой индустрии. Фактически спинтронные устройства на металлической основе сейчас встречаются повсеместно — в жестких дисках почти любого компьютера на планете.

В конце 1988 года было обнаружено, что поток спин-поляризованных электронов в слоеной конструкции покрытия (два тонких слоя ферромагнетика, разделенные слоем немагнитного металла), можно ощутимо изменять, перебрасывая на противоположную полярность внешнего магнитного поля. Этот эффект, получивший название GMR, или гигантское магнетосопротивление, позволил создавать намного более чувствительные магнитные головки и, соответственно, уменьшать размеры магнитных доменов, кодирующих двоичные данные на пластинах. Иначе говоря, значительно увеличилась информационная емкость накопителей на жестких магнитных дисках.

Манипулирование спиновыми характеристиками — перенос электронных спинов между двумя металлами — также лежит в основе MRAM, магниторезистивной памяти произвольного доступа. То есть нового типа компьютерных запоминающих устройств, сохраняющих информацию без электропитания.

Физика работы MRAM основана на эффекте, отчасти напоминающем GMR и известном как туннельное магнетосопротивление (TMR). Здесь два слоя ферромагнитного металла разделены тонким слоем изолирующего материала, такого как оксид алюминия или оксид магния.

Если в GMR происходит медленное — за счет классической диффузии — перемещение спин-поляризованных электронов с одного ферромагнитного слоя на другой, то в конструкции TMR имеет место сугубо квантовый туннельный переход через разделяющий слой (классически запрещенный процесс, при котором частица проходит через потенциальный барьер, превышающий ее кинетическую энергию).

Такого рода устройства именуются магнитными туннельными переходами, или MTJ (magnetic tunnel junctions). Главная фишка эффекта в том, что туннелирование — а значит, и перенос спина через барьер — может происходить лишь в случае «правильной» ориентации спина частицы.

Хотя эффект спин-зависимого туннелирования впервые был продемонстрирован еще в 1975 году, как и большинство квантовых феноменов, он работал лишь при очень низких температурах. То, что это возможно и при комнатной температуре, удалось показать лишь к 1995-му.

Поначалу, правда, выравненные спины частиц в ферромагнитных слоях удавалось переключать с параллельного на антипараллельное состояние лишь для 12-18% электронов, чего для практических устройств еще далеко не достаточно. Однако уже к концу 1990-х усиленные мозговые штурмы разработчиков и надлежащие финансовые вложения привели к решению задачи: нужное соотношение удалось повысить до 70%.

Более того, к середине 2000-х годов новейшие технологии, обеспечивающие атомной толщины плоские интерфейсы между металлическими и оксидными слоями, позволили достичь значений TMR порядка 400% — благодаря особому эффекту когерентного туннелирования.

Итогом же стало то, что массивы памяти MRAM, основанные на туннельном магнетосопротивлении, уже до конца десятилетия были запущены в производство и продажу. Так что в недалеком будущем, по мере удешевления технологии, MRAM позволит делать такие бытовые компьютеры, которые способны включаться-выключаться мгновенно. Благо состояние системы будет храниться в быстрой и энергонезависимой памяти.

⇡ Инжекторы и детекторы

Подробности в предыдущем рассказе о спинтронной памяти понадобились вот по какой причине. Ключевые моменты этой истории — от особенностей технологии до общей траектории ее преображения из демообразца в продукт массового производства — очень похожи и на путь спинтроники в полупроводниковые чипы.

Важнейшее, пожалуй, отличие в том, что эффект TMR основан на большом количестве электронов, которые имеют нужное состояние спина и сохраняют его при переходах через интерфейсы между ферромагнитными металлами и изолирующими металлическими оксидами.

Ну а для того, чтобы стали возможными полупроводниковые спинтронные устройства, требуется достичь такого же по сути поведения электронов — но только через интерфейсы, сформированные между полупроводником и материалом, выступающим в роли спин-инжектора или спин-детектора.

Поскольку кремний и арсенид галлия — это два наиболее широко используемых в индустрии полупроводника, то главная задача разработчиков — отыскать такие спинполяризованные материалы (вещества, в которых большинство электронных спинов выравнено в заданном направлении), которые можно было бы с ними эффективно комбинировать.

История долгих и трудных поисков материалов подобного рода пока еще далеко не дописана. Конечно, здесь можно было бы рассказать о нескольких разных подходах, с тем или иным успехом применяемых во множестве лабораторий мира для решения этой труднейшей задачи. Но лучше все же, наверное, пока эту тему пропустить.

Потому что к концу первого десятилетия XXI века итог всех изысканий по внедрению спинтроники в индустрию микросхем выглядел примерно так. Несмотря на множество локальных успехов, в целом никто так и не сумел отыскать подходящих (ферромагнитных полупроводниковых) материалов, которые работали бы при комнатной температуре и подходили бы для использования в практичных устройствах полупроводниковой спинтроники...

Но, несмотря на столь унылый результат, это совершенно не означает, что прогресс забуксовал и остановился.

⇡ Компаунды Гейслера

Чрезвычайно важное для истории спинтроники событие произошло летом 2010 года, когда через журнал Nature было обнародовано открытие физиков из германского университета Майнца. Этот университет с давних пор имеет репутацию одного из главных мировых центров по исследованиям так называемых компаундов Гейслера (о специфических свойствах данных материалов рассказ впереди).

Благодаря же новому открытию ученых, обнаруживших в компаундах Гейслера совершенно особое квантовое состояние материи — именуемое «топологический изолятор», — попутно открылись и новые замечательные перспективы для развития спинтронных технологий. Причем не только в области устройств памяти, но и для полупроводниковых микросхем, и для новых батарей электропитания, и для многих других заманчивых приложений.

Что же это такое, материалы Гейслера?

Прежде всего, уместно отметить, что вообще-то немецкую фамилию Heusler следует читать как Хойслер. Однако по многовековой российской традиции иностранные имена и названия произносятся у нас на собственный манер. Поэт, известный в мире как Хайне, у нас именуется Гейне. Залив Хадсон мы называем Гудзон. По той же причине инженера-ученого Фридриха Хойслера, в начале 1900-х годов открывшего необычные свойства у сплавов обычных металлов, в России принято и сегодня именовать по старинке — Гейслером.

На протяжении вот уже многих лет материалы Гейслера находятся в фокусе исследований ученых по следующей причине. Являясь относительно простыми химическими соединениями из трех базовых элементов, компаунды Гейслера могут обладать широким спектром разнообразных физических характеристик.

Так, известнейшая специфическая особенность этих компаундов в том, что они демонстрируют характеристики иные, нежели естественно ожидать от элементов, их составляющих. Первый компаунд Гейслера, например, был сделан из немагнитных элементов — меди, марганца и алюминия. Однако их сплав вида Cu 2 MnAl ведет себя как ферромагнит даже при комнатной температуре. Аналогично, когда комбинируются три металла в иной комбинации, в результате может получаться полупроводник.

Если чуть подробнее, то компаундами Гейслера называют материалы с очень общей структурой состава, выражаемой формулой X2YZ (где X, Y это переходные металлы, а Z — элементы из III-V групп таблицы Менделеева). Поскольку каждый из элементов X, Y, Z может быть выбран примерно из 10 различных кандидатов, общее число всевозможных материалов Гейслера грубо оценивают цифрами порядка 1000 (плюс к этому, имеются так называемые «полугейслеры», описываемые формулой XYZ и тоже обладающие спектром интересных свойств).

Благодаря несложной и гибкой структуре в основе, желательные свойства компаундов Гейслера могут быть настроены путем подстройки их композиционного состава. Иначе говоря, у исследователей имеется весьма широкий класс веществ, простых в изготовлении и зачастую состоящих из относительно недорогих общедоступных компонентов, но позволяющих при этом получать материалы с весьма экзотическими ферромагнитными или полупроводниковыми свойствами.

Благодаря этому, в частности, компаунды Гейслера ныне считаются очень перспективным материалом для изготовления солнечных батарей и других термоэлектрических генераторов, способных напрямую преобразовывать тепло в электричество. Например, без подвижных деталей конструкции вырабатывать электроэнергию от процессов побочного тепловыделения машин и приборов.

Когда же в середине 2000-х годов сначала теоретики, а вскоре и экспериментаторы открыли в природе совершенно новое состояние материи под названием топологический изолятор , то через некоторое время выяснилось, что и тут компаунды Гейслера оказываются в высшей степени полезным материалом.

На протяжении последних лет шести-семи топологические изоляторы, или кратко ТИ, являются очень горячей темой исследований в области твердотельной физики и материаловедения. Главным характерным свойством ТИ считается тот факт, что, хотя данные материалы реально являются изоляторами или полупроводниками, однако их поверхности ведут себя как проводящий ток металл — но металл далеко не обычный. Словно в сверхпроводниках, в ТИ электроны движутся по поверхностям без взаимодействия со своим окружением — поскольку они находятся в неведомом прежде квантовом состоянии «топологической защиты».

При этом в резком контрасте с физикой сверхпроводников находится другое свойство ТИ. В топологических изоляторах на поверхности имеется не один, а два не взаимодействующих друг с другом тока — по одному на каждое из направлений спина, которые текут в противоположных направлениях.

И понятно, наверное, что два этих устойчивых спиновых тока, на которые не действуют дефекты структуры или загрязнения в материале, как будто созданы для того, чтобы их применяли в спинтронике (а также и в прочих приложениях квантовой информатики — вроде квантовых компьютеров).

Так что уже из этих соображений можно представить, сколь мощный интерес и даже, можно сказать, бурное возбуждение проявились в научном сообществе, когда выяснилось, что именно такими замечательными свойствами ТИ обладают давно исследуемые и осваиваемые учеными материалы Гейслера.

Причин для подобного возбуждения называет сразу несколько.

Во-первых, интерес к компаундам Гейслера вызван их возможностями проявлять, как это называют специалисты, «полуметаллический» характер. Термином «полуметаллический характер» обозначают то, что данный материал способен одновременно обеспечивать металлическое поведение электронов с одним спиновым компонентом (например, для электронов со «спином-вверх») и изолирующее поведение для другой спиновой ориентации (типа «спин-вниз»). При этом материалы могут демонстрировать уровень спин-поляризации 100%, что делает их идеальными кандидатами для спин-поляризаторов (инжекторов) или же, наоборот, для спин-детекторов.

Во-вторых, компаунды Гейслера — это не просто весьма большой класс материалов, насчитывающий свыше 1000 представителей. Он содержит в себе — согласно расчетам — свыше 50 компаундов, имеющих отчетливые признаки топологических изоляторов.

Отсюда же следует и «в-третьих»: благодаря такому разнообразию, теперь становится возможным не только подбирать желательные, но и разрабатывать совершенно новые физические эффекты. Уже вполне ясно, что, поскольку эти материалы состоят из трех элементов, они заведомо могут предлагать широкий диапазон и других интересных свойств в дополнение к квантовому состоянию топологической защиты поверхности.

В частности, теперь становится возможным комбинировать в одном материале сразу несколько необычных квантовых состояний, когда, например, сверхпроводимость и топологическая поверхность взаимодействуют друг с другом. А это открывает путь к совершенно новым, экспериментально не обнаруженным пока характеристикам, некоторые из которых уже предсказаны теоретически...

В-четвертых, наконец, разработка новых гейслеровых компаундов — это в данной области отнюдь не единственный подход к порождению желаемых свойств материала. Другой многообещающей альтернативой является модификация уже хорошо известных материалов, поскольку и в них можно подстраивать структуру под желательные характеристики. Причем подобное «перемоделирование» в итоге тоже может порождать материалы, которые вполне можно рассматривать как новые.

Одна из типичных процедур для модификации хорошо освоенных в производстве материалов — это ионная имплантация. При этой операции образец стандартного материала обрабатывают пучком ионов, которые порождают изменения в кристаллической решетке и остаются встроенными в структуру материала как присадки. После чего новые свойства материала — это результат сразу двух факторов: перемен структуры, вызванных «бомбардировкой», и присутствием новых атомов в составе структуры.

Подводя же итог всем этим важным открытиям применительно конкретно к спинтронике, уже можно достаточно уверенно говорить, что компаундам Гейслера суждено сыграть здесь ключевую роль. Поскольку понятно, что эти материалы позволяют совершенно по-новому преодолеть известные препятствия, мешающие скомбинировать обычные ферромагнетики со стандартными промышленными технологиями в индустрии полупроводников.

⇡ Cпинтроника в 3D

Гейслеровы материалы, спору нет, чрезвычайно перспективное направление для дальнейшего прогресса. Но дабы не создавалось ложное впечатление, будто это чуть ли не единственный на сегодня маршрут развития спинтроники, полезно было бы сделать обзор и других интересных разработок. Вроде, скажем, спинтроники на основе органических материалов. Или спинтронной трековой памяти (magnetic racetrack memory, MRM). Или, наконец, спинтронных источников питания на основе магнитных туннельных переходов.

Однако объем статьи не резиновый, поэтому здесь — в качестве в заключения обзора — ограничимся лишь кратким рассказом еще об одной примечательной и совсем новой разработке. Сделана она учеными Кембриджского университета и объединяет в себе сразу два наиболее перспективных направления в современной электронике — спинтронику и 3D-чипы.

Над идеей многослойных, или стековых, как еще говорят, конструкций 3D-чипов работы ведутся довольно давно, по меньшей мере с 1990-х годов. Суть замысла достаточно проста. Если на той же, что и сейчас, кремниевой основе научиться делать не плоские, а подлинно трехмерные — со множеством соединений меж слоями — интегральные схемы слоев эдак на 100, то закон Мура, скорее всего, и дальше будет исправно работать. Еще лет 15 как минимум.

Но одна из труднейших проблем, и поныне стоящих перед разработчиками 3D-чипов, заключается в том, что при опоре на традиционную электронику никак не удается придумать действительно хороший способ для передачи информации между слоями. Если опираться в этом деле на обычные транзисторы схемы, то из-за этого заметно возрастает энергопотребление, а отвод тепла в стековой конструкции, напротив, сильно усложняется — поскольку большинство элементов теперь спрятано во внутренних слоях чипа.

Иначе говоря, традиционный подход к конструированию чипа в 3D не только получается неуклюжим и дорогим, но еще и не позволяет удержать тепловыделение в рамках разумного. А это все означает, что в трехмерной конструкции микросхем для передачи информации между слоями крайне желательно опираться на что-то иное.

Ученые Кавендишской лаборатории в Кембридже решили применять для этого спинтронику. То есть в стековой многослойной конструкции, характерной для трехмерных чипов, они придумали и реализовали остроумный механизм вертикальных межслойных соединений, который работает на базе квантового спина частиц.

Свою разработку они назвали «спинтронный регистр сдвига», а работает эта конструкция как своего рода квантовый храповой механизм — где биты данных и команд, закодированные в спинах, однонаправленно проталкиваются из одного слоя в другой с минимальными затратами энергии и, соответственно, практически без тепловыделения.

Реализован этот «вертикальный регистр» в виде довольно хитрой многослойной структуры сэндвича, где два разных типа металлических слоев толщиной всего в несколько атомов попеременно уложены друг на друга. Свойства слоев сэндвича подобраны так, чтобы местоположение бита информации сдвигалось вверх на «одну ячейку регистра» для каждых двух перебросов в полярности магнитного поля.

Иначе говоря, определенный домен «спин-вверх» в магнитном слое (или ячейке) 12, скажем, после двукратного переключения магнитного поля появляется в ячейке (магнитном слое) 13. Данный механизм перескоков домена по слоям-этажам чипа — это, собственно, и есть базовый режим функционирования регистра сдвига в данной конструкции.

Понятно, что от лабораторной демонстрации устройства до массового производства спинтронных 3D-процессоров на его основе путь, скорее всего, очень неблизкий. Но зато нет сомнений, что продемонстрированная технология является подлинно новаторской, опирается на вполне стандартные производственные процедуры и для своего дальнейшего развития (на данный момент) не имеет препятствий принципиального характера.

Для буквально новорожденной технологии и этого, можно признать, совсем даже немало.

Спинтроника это новое направление прикладных исследований развивается на стыке физики, химии и материаловедения и сулит перерасти в новый технологический уклад, потеснив полупроводниковую микроэлектронику. Объединив два слова «спин» и «электроника» - то есть спиновая электроника - в одно, ученые обозначили перспективное мультидисциплинарное направление науки и техники термином «спинтроника» (spintronics).

Что такое спин?

Спин - дословно, с английского, «вращение». Он может равняться либо одной второй (спиновое число электрона Je = 1/2), и тогда направлен вверх, либо минус одной второй (спиновое число электрона Je = –1/2), и в этом случае направлен вниз. «Спин можно изобразить как волчок, - поясняет начальник сектора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ Олег Теряев. - На языке физики и математики спин - это вектор собственного момента импульса частицы, характеристика ее вращения вокруг собственной оси. Если представить частицу как теннисный мяч, то стенка мяча будет вращаться со скоростью больше скорости света. В мире больших объектов это невозможно. Поэтому считается, что спин - это такое свойство, у которого нет аналогов в макромире. Если заряд электрона чувствителен к электрическому полю, то спин электрона чувствителен к магнитному полю. Магнитное поле может менять и направление спина, и его численное значение.»

Спинтроника, как и электроника, основана на свойствах элементарной частицы - электрона. Если электроника базируется на свойствах электрического заряда электрона, то спинтроника - на свойствах спина электрона. Свойства спина известны физикам уже довольно давно - почти сто лет, но только в конце XX века они смогли найти ключ к его использованию.

Таинственный спин в 1988 году открылся человечеству в реальной жизни в виде уникального явления: эффекта магнитосопротивления в многослойных магнитных структурах. Проще говоря, ученые обнаружили, что под воздействием слабого магнитного поля в трехслойных пленках нанотолщины, составленных из разных металлов, то появляется, то исчезает электрический ток. Открытие назвали гигантским магнитосопротивлением (ГМС, в англоязычной литературе - GMR), а многослойные металлические конструкции с ГМС поименовали спиновыми вентилями.

За годы, прошедшие с момента открытия ГМС, физики и химики успели создать и исследовать около 11 видов спиновых вентилей с различной структурой. Добавили тонкую прослойку рутения - повысили термостабильность сенсоров. Применили кобальтовый феррит в качестве изолирующего магнито-жесткого слоя - уменьшили шунтирующий эффект и повысили величину ГМС. Ввели в структуру нанооксидные слои и антиферромагнетики - увеличили магниторезистивное отношение и чувствительность спинового вентиля.

Исследования ГМС-конструкций привели еще к одному типу материалов для спинтроники - туннельным магнитным структурам с эффектом туннельного магнитосопротивления (ТМС, в англоязычной литературе - TMR).

Поскольку многослойные ГМС- и ТМС-конструкции имеют очень высокую чувствительность и наноразмеры, то их сразу же применили в считывающих головках жестких дисков с плотностью записи свыше 100 Гбит/дюйм2. Основу головки считывания составляют три слоя: магнитомягкий, немагнитный, магнитожесткий. Намагниченность жесткого материала зафиксирована, а магнитомягкого материала может меняться внешним полем - битом информации.

Мгновенная, экономная память

Наногетероструктуры с магнитным туннельным переходом догадались использовать и как базовые элементы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM имеет большие преимущества по сравнению с энергонезависимыми носителями информации на полупроводниковой основе. Время выборки данных у MRAM - менее 10 нс, что в 5 раз меньше, чем у флэш-памяти, а время записи - меньше 2 нс, то есть на три порядка меньше, чем у флэш-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти в два раза меньше, чем у флэш- и оперативной памяти DRAM. Таким образом, использование MRAM в микропроцессорах радикально уменьшает их размеры при увеличении количества и плотности элементов, повышает быстродействие, существенно экономит энергию и снимает проблему охлаждения элементов памяти: они не перегреваются.

Разработки MRAM уже больше десяти лет ведутся исследовательскими центрами компаний Freescale (Motorola), IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, Samsung вместе с Hynix, а также NEC совместно с Toshiba.

В Японии в 2010 году ведущим разработчиком технологий MRAM стал Центр спинтронных микропроцессоров университета Тохоку (Center for Spintronics Integrated Systems, Tohoku University). Он объединил для усиленного технологического рывка более 20 японских и американских компаний-производителей микрочипов.

Цель сотрудничества: к концу финансового 2016 года разработать надежный и экономически эффективный способ массового производства чипов памяти нового поколения STT-MRAM (на основе второго поколения технологии туннельного магнитосопротивления Spin Torque Transfer - перенос момента спина), призванных заменить нынешние чипы DRAM. Среди участников проекта - третья в мире по объему производства микропроцессорной техники компания Tokyo Electron , мировой лидер по выпуску полупроводниковых плат Shin-Etsu Chemical , японский производитель микрочипов Renesas Electronics , японский концерн-гигант по производству электронной техники Hitachi , американская компания Micron Technology (второй в мире производитель элементов памяти DRAM). В Центре уже получены тестовые образцы чипов памяти нового типа. В серийное производство их обещают запустить к 2018 году.

В настоящее время серийно MRAM-чипы выпускает компания Everspin, учрежденная Freescale (бывшей Motorola). С ее конвейеров уже сошло около 10 миллионов новых чипов памяти объемом 512 Кб и 2 Мб. Сегодня наиболее востребованы в Everspin MRAM-чипы объемом 256 Кб, 1 Мб и 4 Мб. Самый большой объем памяти элементов MRAM, изготавливаемых Everspin, составляет 16 Мб. Они работают в температурных диапазонах от –40 до +85 градусов Цельсия. Цена одного элемента MRAM объемом 4 Мб - $11.

На магниторезистивную память возлагаются большие надежды

Компания Everspin предлагает их использовать для аэрокосмических и военных коммуникационных, информационных и управляющих систем, систем безопасности и автономных систем регистрации данных («черные ящики», замена устройств памяти на аккумуляторных батареях). Их производство в будущем ориентировано на применение в цифровых фотоаппаратах, ноутбуках, смарт-картах, мобильных телефонах, персональных компьютерах и прочей бытовой технике.

В России компания «Крокус Наноэлектроника» - совместное предприятие «Роснано» и Crocus Technology - запустила производство магниторезистивной памяти по технологии второго поколения TAS (Thermal Assisted Switching, термическое переключение) MLU (Magnetic Logic Unit, магнитная логическая ячейка).

Технологию изготовлениея пластин с размером ячейки 90 нм совместно разработали американские компании Crocus Technology и IBM. Производство, мощность которого должна составить 500 пластин в неделю, размещено в технополисе «Москва» на территории бывшего АЗЛК.

Технополис «Москва» - территория бывшего мос­ковского автомобилестроительного завода, ныне превращенная в площадку для высокотехнологичных частных предприятий. Одно из них - «Крокус Наноэлектроника» - занимается выпуском магниторезистивной памяти по технологии второго поколения.

Гигантское магнитосопротивление

Гигантское магнитосопротивление открыто в трехслойных металлических пленках железо-хром-железо. При толщине слоев железа в 3 нм толщина слоя хрома между ними варьировалась в экспериментах от 0,9 до 3 нм. Железо является ферромагнетиком, а хром - немагнитным металлом. Когда спины электронов проводимости обоих ферромагнитных слоев выстраивались параллельно, слой хрома пропускал через себя электрический ток. Стоило спинам свободных электронов в ферромагнитных слоях выстроиться антипараллельно, как в хромовой прокладке появлялось гигантское сопротивление и электрический ток практически исчезал. То есть слоистая структура с гигантским магнитосопротивлением работала как диод-выпрямитель. Поэтому многослойные структуры с эффектом ГМС назвали спиновыми вентилями. Обычно в спиновом вентиле один ферромагнетик является магнитожестким (с фиксированной намагниченностью), а другой - магнитомягким, способным менять направление спина под воздействием малого внешнего магнитного поля, что обеспечивает высокую чувствительность таких структур.

Туннельное магнитосопротивление

В основе работы ячеек магниторезистивной оперативной памяти лежит эффект туннельного магнитного сопротивления

Многослойные материалы с эффектом туннельного магнитного сопротивления (с туннельным магнитным переходом, в английской литературе MTJ - Magnetic Tunnel Junction) похожи на ГМС-конструкции. Это тоже «сэнд­вичи», в которых слои ферромагнетиков (металлов или манганитов) разделены немагнитным материалом. Только этот немагнитный материал является не металлом, как в ГМС, а диэлектриком - изолятором, например оксидом алюминия. Слой изолятора должен быть настолько тонок (< 2 нм), чтобы электроны ферромагнетиков могли просачиваться сквозь этот барьер. Такой процесс называется туннелированием и обусловлен волновой природой электрона. Вероятность туннелирования зависит от длины волны или энергии электрона. В ферромагнитном материале энергия электронов с ориентацией спина вверх или вниз различна, поэтому туннельный эффект - спин-зависимый: спины ферромагнитных слоев параллельны - проводимость магнитного туннельного перехода велика; спины антипараллельны - вероятность туннелирования мала. Максимальная величина магниторезистивного эффекта в ТМС - около 50% при комнатной температуре.

Чип памяти из 12 атомов

В исследовательском центре корпорации IBM создали кубит памяти (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере), состоящий из 12 атомов антиферромагнетика (вещества, в котором магнитные спины атомов направлены противоположно и равны по значению). Для сравнения: современный жесткий диск использует около миллиона атомов для хранения одного бита информации.

Ферромагнетики хорошо работают в магнитных накопителях информации, но главным препятствием на пути к их миниатюризации до атомарных размеров является взаимодействие соседних битовых элементов памяти друг с другом. Намагниченность одного битового элемента памяти может сильно влиять на его соседа.

Так магнитные спины 12 атомов антиферромагнетика представляют ноль или единицу

Ученые из IBM Research применили сканирующий туннельный микроскоп для формирования группы из 12 атомов антиферромагнетика, сохранявших бит данных в течение нескольких часов при низкой температуре. Используя присущее этим атомам свойство изменения направлений магнитного спина, ученые продемонстрировали способность компоновать соседние магнитные биты гораздо ближе друг к другу, чем это было возможно ранее. Это позволило значительно увеличить плотность записи/хранения магнитной памяти без нарушения состояния соседних битов.

Все для фронта

Практически все разработки в области спинтроники одновременно с гражданским предназначением сразу отрабатываются и в направлении военной тематики.

В США исследователи Университета штата Северная Каролина придумали, как с помощью спинтроники сделать сенсорные датчики умнее. Наносекундными лазерными импульсами они нанесли диоксид ванадия на кремниевую подложку, чтобы получившийся материал стал магнитным. Диоксид ванадия используют для изготовления инфракрасных датчиков. Находка группы ученых из университета Северной Каролины позволила объединить инфракрасный магнитный датчик с микропроцессором в одном монокристалле. Датчик стал работать быстрее и энергоэкономнее. Интеллектуальные инфракрасные датчики с магнитными свойствами предназначены для использования в военных целях в спинтронных устройствах следующего поколения. В числе соавторов разработки студенты и аспиранты Университета, сотрудники корпорации Intel и Исследовательского бюро Армии США.

Исследовательские лаборатории, работающие по армейским контрактам, изыскивают способы обеспечения работы сложной современной электроники и прецизионной механики в самых суровых условиях, будь то пыльные бури Ближнего Востока или ледяные пустыни Арктики

Инженерный центр исследований и разработки автобронетанковой техники (TARDEC) Армии США в сотрудничестве с учеными-исследователями из Оклендского университета развивает спинтронику, ожидая значительного прогресса в технологиях СВЧ, сенсорных сетей и систем связи. Армия США рассчитывает на спинтронику в разработке решений низкоэнергетического электропитания для жизнеобеспечения боевых частей на значительном удалении от мест цивилизации и в суровых условиях эксплуатации, подобных Ираку и Афганистану. Достижения спинтроники должны найти самое широкое применение в вооруженных силах США: обеспечить солдат маломощными источниками энергии, боевыми и тактическими машинами, многофункциональными антеннами, робототехникой, низкоэнергетическими системами радиорелейной связи и «умной броней».

Так, технология Spin Torque Transfer использует поляризованный по спину транспортный ток через многослойную наноструктуру для манипуляции ее магнитным состоянием. Эффект переноса спина может вызывать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика с частотами, лежащими в СВЧ-диапазоне. Такая прецессия может стать источником излучения электромагнитных СВЧ-волн, частотой которых можно управлять и при помощи тока, и посредством магнитного поля. По сути, речь идет о возможности создания генераторов СВЧ-диапазона, работающих на абсолютно новых принципах.

Для военных приложений сенсорные технологии должны быть более чувствительными и гораздо более реактивными, и нам удалось Джей Нараян (Jay Narayan), профессор кафедры материаловедения и инжиниринга Университета штата Северная Каролина

Видимо, эту возможность использует группа исследователей TARDEC в сотрудничестве с физиком-теоретиком Оклендского университета профессором Андреем Славиным. При поддержке пилотной программы Армии США по спинтронике они с 2008 года изучают феномен генерации микроволнового излучения микроволновыми осцилляциями намагниченности спин-поляризованного тока в наноразмерных многослойных наноструктурах. Группа призвана разработать практические методы контроля микроволновых генераторов с помощью магнитного поля, а ее технологические разработки должны быть переданы в несколько научных и технологических военных программ, включая микро- и наноэлектронику, беспроводные коммуникации, сбор энергии и радиационно-устойчивые материалы.

Эксперименты исследовательской группы Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета с «плащом-невидимкой» толщиной всего 70 микрон. Исследователи утверждают, что такое покрытие поглощает 99,9% падающего на него света.

Исследовательская группа Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета занята разработкой «плаща-невидимки». Она предложила маскирующую поверхность, которая работает в видимом диапазоне для произвольной формы трехмерных объектов большой площади. «Плащ» представляет собой плоский ковер, состоящий из низкой плотности леса углеродных нанотрубок, которые могут визуально сжимать произвольные трехмерные объекты и превращать их в невидимые двухмерные. Невидимость наблюдалась невооруженным глазом для неполяризованного света во всем видимом диапазоне. Маскировался объект в 100000 раз больший, чем длина волны. Авторы утверждают, что их подход, основанный на совершенном поглощении, не ограничивается ковром из углеродных нанотрубок и может быть применен к более широкому диапазону частот - от ультрафиолета до терагерц, причем для сколь угодно больших объектов. Свою версию плаща-невидимки они предлагают и для объяснения черноты космоса.