Содержание.

          Введение

1. Спинтроника.
2. Явления спинтроники.
3. Приборы спинтроники.
4. Новые идей. Перспективные приборы.
5. Литература

      Введение

     Вторую  половину XX века без преувеличения  можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был  свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря  цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого  транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями  микропроцессоров, микроэлектроника в  основном использует только одно свойство электрона – его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику – собственный угловой  момент, или спин (и связанный  с ним магнитный момент), –  которая вплоть до недавнего времени  не пользовалась особым вниманием разработчиков  и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на авансцену выходит  новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics – от spin transport electronics или spin-based electronics).

     Спин (от англ. spin – верчение, кружение) можно было бы представить как результат вращения частицы вокруг своей оси, однако, несмотря на наглядность такого представления и очевидный смысл самого термина, классическая физика не может объяснить появление спина в результате вращательного движения частиц в трехмерном пространстве.

     Cпинтроника – 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). Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику 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.

     Целью работы является рассмотрение физических принципов нового направления в  микроэлектронике – спинтронике и основных типов приборов на основе спиновых эффектов.

1. Спинтроника.

     Вторую  половину XX века без преувеличения  можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был  свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря  цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого  транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями  микропроцессоров, микроэлектроника в  основном использует только одно свойство электрона – его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику – собственный угловой  момент, или спин (и связанный  с ним магнитный момент), –  которая вплоть до недавнего времени  не пользовалась особым вниманием разработчиков  и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на авансцену выходит  новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics – от spin transport electronics или spin-based electronics).

     Спин (от англ. spin – верчение, кружение) можно было бы представить как результат вращения частицы вокруг своей оси, однако, несмотря на наглядность такого представления и очевидный смысл самого термина, классическая физика не может объяснить появление спина в результате вращательного движения частиц в трехмерном пространстве.

     Cпинтроника – 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). Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику 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.

     Целью работы является рассмотрение физических принципов нового направления в  микроэлектронике – спинтронике и основных типов приборов на основе спиновых эффектов.

      В настоящее время наука – спинтроника проходит процесс формирования и, как любая наука в этот период, она не имеет (пока) четких определений и моделей.

     Термин  спинтроника (spintronics – англ.) появился впервые в 1998 г. в совместном пресс релизе лабораторий Белла и Йельского университета, в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. В Агентстве перспективных исследований министерства обороны США спинтронику определяют как спинтранспортную электронику. Согласно другим определениям спинтроника – это наука, для которой принципиальное значение имеет взаимосогласованное поведение заряда и спина электрона; «это электроника на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и спин зависимые эффекты»; «это наука об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях»; «это новая ветвь микроэлектроники, где спин и заряд электрона представляют собой активный элемент для хранения и передачи информации, интегральных и функциональных микросхем, многофункциональных магнитооптоэлектронных устройств». 
 
 

      Спинтроника развивается по следующим основным направлениям:

     1) изготовление магнитных наноструктур, включая новые материалы, тонкие пленки и гетероструктуры, а также многофункциональные материалы;

     2) магнетизм и спиновый контроль  мaгнитных наноструктур, теории ферромагнитного обмена в разбавленных магнитных полупроводниках, туннельных эффектов и спиновой инжекции, транспорта и детектирования магнетизма;

     3) магнитоэлектроника и приборы на основе эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) [4,5], туннельные устройства, полупроводниковые гетероструктуры для инжекции спинов, их транспорт и детектирование, импульсный ферромагнетизм;

     4) магнитооптические свойства магнитных полупроводниковых гетероструктур на постоянном токе и с временным разрешением, оптическая спиновая инжекция и детектирование, оптически индуцированный ферромагнетизм, сверхбыстрые магнитооптические переключатели; передача квантовой информации;

     5) распознавание образов; получение  изображений и метрология, включая  магнитное распознавание образов  и аномальный эффект Холла; 

     6) приборостроение и прикладные  исследования. 

            2. Явления спинтроники.

         Диполь-дипольное или спин-спиновое взаимодействие — это прямое взаимодействие спиновых магнитных моментов электронов, пропорциональное произведению магнитных моментов и обратно пропорциональное кубу расстояния между ними.  С энергией спин-спинового взаимодействия сравнима по порядку величины малая энергия взаимодействия спинового магнитного момента электрона с полем анизотропии. Но именно слабость спин-спинового взаимодействия играет большую роль в полезных свойствах некоторых магнитных полупроводников. В разбавленных магнитных полупроводниках роль прямого спин-спинового взаимодействия ослабевает настолько, что их намагниченность можно легко изменять экспериментально достижимыми внешними магнитными полями. Сравнительно слабые магнитные поля влияют на характеристики разбавленных магнитных полупроводников сильнее, чем на параметры традиционных магнитных полупроводников.

      Спин-орбитальное  взаимодействие — это взаимодействие спинового магнитного момента электрона с магнитным моментом его собственного орбитального движения. Причина спин-орбитального взаимодействия в том, что электрон, движущийся со скоростью v в электрическом поле напряженности E , «видит» магнитное поле с магнитной индукцией. Вследствие спин-орбитального взаимодействия на спин движущегося электрона или дырки могут действовать и статическое, и переменное внешние электрические поля.

      В полупроводниках спин-орбитальное  взаимодействие на несколько порядков сильнее, чем в атомах или металлах, поэтому оно может проявляться  даже в диапазоне тепловых скоростей  электронов. Спин-орбитальное взаимодействие «связывает» спиновые и пространственные координаты электрона и ведет к появлению эффективного внутрикристаллического магнитного поля (поле магнитной анизотропии), так как орбитальное движение частицы связано с кристаллографическими направлениями.

      Обменное  взаимодействие – это часть кулоновского взаимодействия между электронами, зависящая от перестановки двух электронов в силу принципа исключения Паули: . Взаимная ориентация спинов и, в конечном счете, ферромагнетизм определяются обменным взаимодействием атомов примесного металла Mn⁺, которое, однако, не определяет направление суммарного спина относительно кристаллографических осей. Вырождение суммарной намагниченности кристалла относительно кристаллографических осей частично снимается спин-орбитальным взаимодействием. Кинетическая энергия электронов в сочетании с принципом Паули стремится разрушить спиновый порядок; температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства, называется температурой Кюри.

      Косвенные спиновые взаимодействия. В кристалле прямое спиновое взаимодействие удаленных атомных остовов (электронных конфигураций), например примесных магнитных ионов в полупроводнике, ничтожно. Спиновое взаимодействие между подобными ионами осуществляется посредством возмущения состояний электронов на промежуточных атомах, общих для этих ионов. Если обобществленные электроны находятся, например, на немагнитных анионах (F^–, O^2–, S^2–, Se^2– и др.), участвуя в химической связи между одинаковыми магнитными ионами M (типа М³⁺—An—M³⁺ и М⁴⁺—An—М⁴⁺ в перовскитах LaMO₃ и СaMO₃ или Сr³⁺—F–—Cr³⁺ в CrF₃), то возникает перекрытие орбиталей электронов, локализованных на магнитных ионах. В этом случае возможен перенос электрона от одного иона на другой с кинетической энергией t. Такое косвенное обменное взаимодействие называют (кинетическим) сверхобменом, или суперобменом по Андерсону.

      Сверхтонкое взаимодействие электронных и ядерных спинов имеет, как и спин-орбитальное взаимодействие, релятивистскую природу. Для полупроводников оно предоставляет дополнительную, по сравнению с металлами, возможность управлять спином электрона не только внешним магнитным полем, но и полем ядер атомов, находящихся в решетке полупроводника.

. В связи  с важностью СТВ электронных  спинов с ядерными можно выделить в отдельную ветвь ядерную спинтронику. Вместо электронного спина можно использовать спин атомных ядер. В принципе можно создать устройство, в котором свет переносит информацию к ядрам через электроны. Такая ядерная память будет на много порядков плотнее и быстрее, чем традиционная запись информации на полупроводниках. Возможно объединение электроники, фотоники и магнетизма в спиновую фотонику для создания приборов, работающих на частотах порядка терагерц.

3. Приборы спинтроники.

     Начало  новой электроники, базирующейся на физических эффектах, обусловленных  спином, относят к 1988 г., когда было открыто явление гигантской магниторезистивности (Giant Magneto Resistance – GMR). GMR наблюдается в искусственных тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные поля в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антипараллельны ном направлении.

     Привлекательной чертой многих устройств, создаваемых  на основе спин-зависимых свойств материалов, является их сходство с классическими вентилями, диодами, транзисторами и др., используемыми в микроэлектронных схемах. Принцип действия новых приборов легко понять, исходя из аналогии перехода «спин вверх—спин вниз» для материалов с разной поляризацией электронных спинов с обычным p–n переходом для полупроводников с p- и n-типами проводимости. Имеется также возможность создания комбинированных полупроводниковых ферромагнитных устройств с использованием достижений микросхемотехники. Рассмотрим подробнее эффекты и приборы на основе спинтроники.

    Спиновый  диод

В основе устройств, использующих GMR, лежит так  называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 1. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", другими словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" – его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5 – 10 % выше, чем при параллельных.