Спин электрона представляет собой одно из его фундаментальных неотъемлемых квантовых свойств. В силу этой фундаментальности на современном уровне развития науки объяснить механизм возникновения спина невозможно, поэтому ограничиваются изучением его свойств. А основным свойством спина электрона является то, что проекция его на любое направление (ось координат) может принимать всего два значения: +1/2 и 1/2. Так вот, коль скоро спин имеет всего два возможных состояния, то нельзя ли и их приспособить для нужд современной технологии? В этом и состоит цель спинтроники.
Впервые термин «спинтроника», по всей видимости, был использован в совместном сообщении знаменитых Лабораторий Белла (Bell Labs) и ученых Йельского университета, который датирован 30.07.1998. В нем впервые прозвучала идея использовать единичные атомы для хранения битов информации, а сами биты хранить в виде спинов электронов.
Жесткие диски
На самом деле, подобно Мольеровскому Журдену, который всю жизнь говорил прозой, не подозревая о том, спинтроника уже достаточно давно служит современной технике. Дело в том, что наличие у электрона спина приводит к тому, что он обладает не только электрическими, но и магнитными свойствами. Соответственно, электроны с различным спином движутся в магнитном поле по-разному. На этом основан эффект GMR, магнитные головки считывания на основе которого широко применяется в современных жестких дисках. Рассмотрим его подробнее.
GMR (Giant Magnetoresistive) – эффект гигантской магниторезистивности – основан на том, что электроны с различным направлением спина (и, соответственно, собственного магнитного момента) под влиянием внешнего магнитного поля движутся по-разному. Магнитная головка GMR состоит из четырех слоев, схематически показанных на рисунке. Верхний слой, состоящий из антиферромагнетика, называется обменным (exchange) и предназначен для того, чтобы зафиксировать магнитное поле второго слоя, который так и называется – фиксирующим (pinned). Для обеспечения необходимых магнитных свойств второй слой изготавливается из ферромагнетика (сплавы никеля, железа, кобальта). Магнитное поле фиксирующего слоя всегда направлено в одну сторону, что и показано на рисунке. Третий слой – проводящий (conducting) – обычно выполняется из меди и служит для разделения фиксирующего чувствительного слоев. Последний, чувствительный (sensing) слой также выполняется из ферромагнетика. В отличие от фиксирующего слоя, направление магнитного поля в нем определяется внешним магнитным полем. В данном случае – это магнитное поле ячейки жесткого диска, которая содержит один бит информации. В зависимости от состояния ячейки изменяется ориентация магнитного поля в чувствительном слое.
Если ориентация магнитного поля в чувствительном слое и в фиксирующем слое совпадают, то сопротивление сенсора уменьшается до минимальной величины. Это происходит потому, что те электроны, спины (и, соответственно, магнитные моменты) которых совпадают с направлением магнитного поля, не испытывают значительного сопротивления и легко проходят сквозь все слои. Электроны, спины которых направлены против магнитного поля, испытывают значительное сопротивление в обоих ферромагнитных слоях.
Если же ориентация магнитного поля в чувствительном слое и в фиксирующем слое противоположны друг другу, то вне зависимости от ориентации спина электроны будут испытывать значительное сопротивление в одном из ферромагнитных слоев. Этот эффект имеет чисто квантовую природу, так как его существование напрямую связано с присутствием у электрона спина. Взаимодействие спинов электронов с магнитным полем обеспечивает магнитным головкам на основе эффекта GMR вдвое большую чувствительность, чем традиционным магнитным головкам.
Эффект GMR был обнаружен и исследован в одной из лабораторий IBM еще в 1988 году, но потребовалось почти десять лет, прежде чем он был реализован в промышленном изделии. В декабре 1997 года IBM начинает серийное производство первых дисков с GMR-головкой с плотностью записи 2.69 Гбит/кв. дюйм. С тех пор плотность записи уже удвоилась, но потенциал технологии все еще не исчерпан.
Эффекты магниторезистивности
Наряду с GMR известны и другие эффекты, связанные с изменением сопротивления среды под влиянием магнитного поля. Это CMR (Collossal Magnetoresistive) – эффект колоссальной магниторезистивности, который проявляется в сильных магнитных полях. Это также и EMR (Extra Magnetoresistive) – эффект экстраординарной магниторезистивности, основанный на изменении орбитального движения электронов в магнитном поле. И наконец, BMR (Ballistic Magnetoresistive) – эффект баллистической магниторезистивности, основанный на баллистических свойствах электронов. Но из всех этих эффектов только GMR имеет отношение к спинтронике, так как именно он основан на различном движении электронов с противоположно направленным спином.
Перспективы
Одна из проблем спинтроники связана с используемыми материалами. Дело в том, что для нее требуется использование ферромагнетиков, 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, который является полупроводником. На первый взгляд задача неразрешимая – что-то вроде соленого сахара или сухой воды. Но нет преград для пытливых умов ученых.
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 эпитаскии. В глубоком вакууме пучки атомов в нужном соотношении направляются на кристаллическую поверхность, где формируют необходимую кристаллическую структуру. К сожалению, данный метод пригоден только для создания тонких пленок. Зато по своим свойствам он является весьма заманчивым материалом для создания новых спинтронных устройств. Другим подобным материалом является эпитаксиальная пленка из чередующихся прослоек соединений галлия – GaSb, GaMn. Магнитные свойства данного полупроводника сохраняются вплоть до 130° С, что вполне достаточно для нужд современной техники.
Еще одним перспективным направлением является использование органических соединений. И в этом направлении существуют интересные открытия. 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 высоковата для использования, но ученые надеются уменьшить ее вариацией состава вещества.
В университете штата Огайо был исследован пластик – тетрацианоэтанид ванадия. Несмотря на свою органическую природу, он имеет и магнитные свойства, сохраняющиеся вплоть до 130° С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволит в будущем создавать дешевую пластиковую память.
В перспективе спинтроника позволит осуществлять обработку и хранение информации в рамках одних и тех же устройств, что приведет как к росту быстродействия, так и к снижению энергопотребления. Создание быстродействующей энергонезависимой памяти MRAM позволит создавать компактные устройства, сочетающие большое время автономной работы с высокой производительностью. Интеграция достижений электроники и спинтроники может значительно продлить жизнь закону Мура и раскрыть новые горизонты в развитии современных компьютеров.
По материалам сайта www.orioner.ru