До типових систем, у яких можуть проявлятися ефекти спінтроніки, належать, зокрема, гетероструктури феромагнетик–парамагнетик та феромагнетик–надпровідник.
У таких гетероструктурах джерелом спін-поляризованих електронів (спін-інжектором) є провідний феромагнетик — метал або напівпровідник, що характеризується спонтанною намагніченістю та спіновою впорядкованістю носіїв заряду. У феромагнітних напівпровідниках можуть досягатися значно вищі рівні спінової поляризації (до 100 %), ніж у металах (приблизно до 10 %).
У зовнішньому магнітному полі відбувається зеєманівське розщеплення енергетичних рівнів електронів у зоні провідності напівпровідника з утворенням двох спінових енергетичних підрівнів. Під час інжекції спін-поляризованих електронів у такий напівпровідник можливі керовані переходи між цими рівнями, що створює умови для формування інверсії населення та, відповідно, генерації когерентного електромагнітного випромінювання з можливістю керування його частотою за допомогою магнітного поля.
Інші спінтронні ефекти виникають у джозефсонівських переходах із феромагнітним шаром. У таких системах можливе керування тунелюванням носіїв заряду за допомогою зовнішнього магнітного поля.
Перспективними є також структури на основі силіцену (silicene) — двовимірної алотропної форми кремнію, подібної до графену. На відміну від плоскої структури графену, силіцен має викривлену атомну ґратку, у якій реалізується змішана sp²/sp³-гібридизація атомних орбіталей.
Застосування
Одним із головних напрямів застосування спінтроніки є створення енергонезалежних пристроїв зберігання інформації. На відміну від традиційної електроніки, у таких пристроях використовується не лише заряд електрона, а й його спіновий стан.
Електронні компоненти
До перспективних спінтронних пристроїв належать:
• комп’ютерна пам’ять типу STT-MRAM (Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory);
• трекова пам’ять;
• спінові транзистори;
• магнітні сенсори.
Спінові транзистори можуть мати шарувату структуру феромагнетик–напівпровідник–феромагнетик. Прикладом такої структури є система Co₈₄Fe₁₆–Si–Ni₈₀Fe₂₀. Після проходження першого феромагнітного шару електричний струм набуває спінової поляризації, яка частково зберігається під час руху через шар кремнію.
За експериментальними даними, отриманими у 2007 році, збереження спінової поляризації в кремнії становило близько 37 % за температури приблизно −73 °C і товщини шару до 350 мкм.
Спінтронні логічні схеми потенційно можуть забезпечувати, порівняно із сучасними КМОП-технологіями, вищу швидкодію (час затримки сигналу менше 1 нс), нижче енергоспоживання та більшу стійкість до впливу іонізуючого випромінювання.
Феромагнітні гетероструктури
— це наноструктуровані матеріали, що складаються з тонких шарів феромагнітних і неферомагнітних матеріалів, зазвичай товщиною від кількох до десятків нанометрів. Вони є ключовими елементами сучасної спінтроніки, магнітної пам’яті, високочутливих сенсорів та перспективних квантових пристроїв.
Гетероструктура — це система, утворена поєднанням двох або більше різних матеріалів із відмінними електронними, магнітними або структурними властивостями. У феромагнітних гетероструктурах можуть використовуватися такі комбінації:
• феромагнетик / немагнітний метал / феромагнетик (F/N/F);
• феромагнетик / діелектрик / феромагнетик (F/I/F);
• феромагнетик / надпровідник (F/S).
Приклади структур
| Структура | Назва | Призначення |
|---|---|---|
| F/N/F (F = феромагніт, N = немагніт) | Спіновий клапан (spin valve) | Магнітні сенсори, MRAM |
| F/I/F (I = ізолятор) | Магнітний тунельний перехід (MTJ) | Тунельний магнітоопір, магнітна пам’ять |
| F/S (S = надпровідник) | Феромагніт-надпровідник | Квантові ефекти, спінові струми |
Основні ефекти у феромагнітних гетероструктурах
1. Гігантський магнітоопір (GMR)
Гігантський магнітоопір був відкритий у 1988 році та став одним із фундаментальних відкриттів, що започаткували розвиток спінтроніки.
Ефект полягає у зміні електричного опору багатошарової структури залежно від взаємної орієнтації намагніченостей феромагнітних шарів.
• За паралельної орієнтації магнітних моментів феромагнітних шарів опір є меншим.
• За антипаралельної орієнтації опір збільшується.
Це явище використовується у магнітних сенсорах і пристроях зчитування інформації з жорстких дисків.
2. Тунельний магнітоопір (TMR)
Тунельний магнітоопір виникає у магнітних тунельних переходах (MTJ), де два феромагнітні електроди розділені тонким шаром діелектрика.
Електрони можуть проходити через ізоляційний шар завдяки квантовому тунелюванню. Величина електричного опору залежить від взаємної орієнтації спінів у феромагнітних шарах.
TMR є основою сучасних технологій магнітної пам’яті MRAM, де інформація зберігається у вигляді напрямку намагніченості магнітного шару.
Застосування феромагнітних гетероструктур
1. MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory)
MRAM використовує магнітні тунельні переходи (MTJ) для зберігання інформації.
Основні переваги:
• енергонезалежність — дані зберігаються після вимкнення живлення;
• висока швидкість роботи;
• значна кількість циклів перезапису;
• низьке енергоспоживання.
2. Зчитування інформації з жорстких дисків
Головки зчитування на основі GMR-ефекту використовують зміну електричного опору для визначення магнітних бітів, записаних на поверхні носія інформації.
3. Магнітні сенсори
Феромагнітні гетероструктури застосовуються у високочутливих магнітних сенсорах, які використовуються в електроніці, автомобільній промисловості, навігаційних системах і медичному обладнанні.
4. Спінтроніка та квантові технології
Спінтроніка досліджує можливість використання спіну електрона як носія інформації замість або разом із його електричним зарядом.
Перспективними напрямами є:
• створення спінових транзисторів;
• керування спіновими струмами;
• дослідження взаємодії магнетизму та надпровідності;
• розвиток квантових технологій та енергоефективної електроніки.
Роль спіну
У феромагнітних гетероструктурах спіни електронів можуть:
• утворювати впорядковані магнітні стани або перебувати у невпорядкованому стані;
• змінювати орієнтацію під дією магнітного поля або електричного струму;
• взаємодіяти на межах розділу різних матеріалів через обмінні та спін-залежні ефекти.
Ці властивості відкривають можливості для створення нових типів електронних пристроїв, у яких інформація передається та зберігається за допомогою спінових станів. Джерело