Еще один тип спинового клапана можно  построить, используя явление магнитного туннельного перехода (Magnetic Tunnel Junction – MTJ). Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора, обычно им служит окись алюминия (рис. 2). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20 – 40%.

      Спиновый  транзистор Датта-Даса

Практически в любой статье по устройствам  спинтроники в качестве будущего спинтронного прибора упоминается так называемый транзистор Датта–Даса – баллистический (без рассеяния) полевой транзистор. В отличие от обычного транзистора эмиттер в нем – источник спин-поляризованных электронов, а коллектор – спиновый фильтр; в зависимости от напряжения на базе ток может быть включен или выключен. Под напряжением эмиттер инжектирует электроны с фиксированным (ориентированным) спином, который прецессирует в течение времени пролета электрона к коллектору. Прецессия спина возникает благодаря спин-орбитальному взаимодействию и приложенному напряжению, которое для движущегося электрона трансформируется в эффективное магнитное поле (эффект Бычкова–Рашбы [7]). Так как магнитный коллектор из всех подлетающих электронов с прецессирующим спином отбирает электроны с определенной спиновой ориентацией, то электрический ток оказывается осциллирующей функцией приложенного к схеме напряжения. Предложенное устройство было названо электронным аналогом электрооптического модулятора. Можно также представить и различные усовершенствования спинового транзистора, связанные с взаимной ориентацией векторов намагниченности эмиттера и коллектора. Однако обычное спин-независимое рассеяние электронов приводит в транзисторе к перемешиванию спиновых состояний вследствие спин-орбитального взаимодействия. Таким образом, спиновый транзистор может успешно работать только в баллистическом режиме, но в таком случае теряются его преимущества перед обычным баллистическим транзистором.

     Спиновый  транзистор «усовершенствован» с учетом так называемой поправки Дрессельхауса к спин-орбитальному взаимодействию для трехмерных систем с кристаллическими решетками, асимметричными относительно инверсии пространственных координат.

     В этом случае когерентный перенос  носителей между связанными каналами создает дополнительную спиновую прецессию  и при одинаковых константах Рашбы и Дрессельхауса в спин-орбитальном взаимодействии прекращается влияние рассеяния на спин, так что спиновый транзистор может работать даже в небаллистическом режиме. Хотя создание спиновых транзисторов сталкивается с рядом трудностей, таких как наличие магнитных полей рассеяния и низкая эффективность спиновой инжекции, результаты выполненных в последнее время экспериментов указывают на возможность преодоления этих трудностей при использовании новых РМП.

     Явления в полупроводниках традиционно  описывались с квантово-механических позиций. Пришло время и для специальной  теории относительности, поскольку  в 1990 г. двое американских ученых, Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das), рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора (spin Field-Effect Transistor spin FET), основанного на релятивистском эффекте. В обычном полевом транзисторе напряжение, прикладываемое к затвору, управляет величиной тока между истоком и стоком. В релятивистском полевом транзисторе истоком и стоком должны служить ферромагнетики с параллельно ориентированными спинами электронов, соединенные узким полупроводниковым каналом (рис. 3). Спины инжектируемых в исток электронов устанавливаются параллельно магнитным полям истока и стока. Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1 % от скорости света в вакууме. Величина тока регулируется посредством приложенного к затвору напряжения. Фокус состоит в следующем. Если перейти в неподвижную систему отсчета, связанную с электроном, то, согласно специальной теории относительности, в ней появляется магнитное поле, напряженность которого определяется (в гауссовой системе единиц) формулой

где V – скорость движения электронов, E – напряженность электрического поля, созданного приложенным к затвору потенциалом, а квадратные скобки обозначают векторное произведение. При достаточной величине напряженности магнитного поля (таким образом, скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается.

4. Новые идей. Перспективные приборы.

    Спин-аккумулятор: физики разработали  батарею на новом  источнике энергии. [11]

    Исследователи Университета Майами (University of Miami), США и двух университетов Японии – Университета Токио (University of Tokyo) и Университета Тохоку (University of Tohoku) доказали существование «спин-батареи», то есть батареи, которая может быть «заряжена» приложением большого магнитного поля к наномагнитам в устройстве, известном как туннельное магнитное соединение (ТМС).

    Новая технология – это шаг вперед – к созданию компьютерных хард дисков без движущихся частей, что означает более быстрые, менее шумные и дорогие хард-драйвы, да к тому же еще и потребляющие меньше энергии, чем существующие на сегодня. Новый тип батареи может оказаться перспективным для создания даже автомобильных аккумуляторов.

    Устройство, созданное проф. физики из Университета Майами Стюартом Барнсом (Stewart E. Barnes) и его коллегами, может запасать энергию в магнитах, а не в химической реакции. Как заводной игрушечный автомобиль, спин-батарея может быть «заведена» приложением сильного магнитного поля. По мнению проф. Барнса, это устройство потенциально лучше всего, что до сих пор было придумано в области аккумуляторов электроэнергии. По словам проф. Барнса, ученые предполагали увидеть эффект, но не ожидали, что устройство будет генерировать столь высокое напряжение – в сотни раз выше расчетного – и будет держать его в течение десятков минут, а не нескольких миллисекунд, как это предполагалось. В результате именно отличие экспериментальных данных от теоретических предпосылок и привело ученых к пониманию происходящих процессов. Результаты разработки опубликованы в журнале Nature.

    «Секрет» этой технологии физически объясняется следующим простым образом – наномагниты индуцируют электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС – физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках тока. Собственно говоря, эта технология использует те же самые принципы, что работают и в традиционных батареях, за исключением того, что это происходит в более прямом виде. Энергия, которая накапливается в батарее- будь то телефон или электромобиль, находится в химической форме. Когда прибор включают, происходит химическая реакция, в результате которой образуется электрический ток. По описанной же технологии энергия магнитного поля напрямую превращается в электрическую энергию, без какой-либо химической реакции. Электрический ток, возникающий в этом процессе, называют спин-поляризованный ток, который известен в новой технологии, которая получила название спинтроника.

       Данное открытие продвигает вперед наше понимание того, как работают магниты, откуда следует возможность прямого применения эффектов ТМС в электронных элементах, которые работают совершенно не так, как традиционные транзисторы. Несмотря на то, что существующее устройство имеет диаметр, соизмеримый с диаметром человеческого волоса, и не сможет активировать даже светодиод, в принципе, энергии, которая может быть накоплена подобным образом, в будущем будет хватать на многомильный пробег автомобиля. Как считает проф. Барнс, возможности технологии неисчислимы.

Рисунок 4. Верхняя часть рисунка – общая схема устройства спин-батареи. Диаметр примерно равен толщине человеческого волоса. Нижняя часть представляет собой увеличенное изображение центральной части. Белые пятна – атомы, а белые кружки – наномагниты, «рабочая» часть устройства (Изображение: Pham Nam Hai)

     Революция в сфере производства компьютеров: харддиски заменят нанопроволокой

     Надо  думать, лет через десять слово  «харддиск» с его двумя дурацкими «д» станет исчезать из нашего лексикона и превратится в такой же архаизм, как и слово «примус». Во всяком случае, реальные основания для этого уже есть.

     Рисунок 5. Устройство нанопроволки "трековой" памяти.

     Профессор Матиас Кляуи (Mathias Klaui) из Федерального политехнического института Лозанны (Швейцария) придумал харддискам замену, которая в сто тысяч раз ускорит работу компьютеров, будет потреблять намного меньше энергии и вдобавок будет противоударной из-за отсутствия движущихся частей.

     Память, как и у харддиска, – магнитная. Этим система немного напоминает видеокассету, только у видеокассеты носитель пленка, а у новой системы – проволока. Но на этом сходство заканчивается. Проволока в новой «трековой» памяти (racetrack memory) в миллион раз уже видеопленки, так что это уже нанопроволока. Способ записи и считывания информации совершенно иной – он основан на принципах «спинтроники» (область квантовой электроники, которая, как утверждают, скоро потеснит обычную электронику). В этой нанопроволочке биты информации передаются при помощи спинполяризованного тока со скоростью несколько сот метров в секунду. Четырехчасовую видеокассету можно было бы прочесть с такой скоростью меньше чем за минуту.

     Особенные трудности у Кляуи и его коллег вызвала необходимость надежно разделять друг от друга информационные биты-домены, устроив на их «стенках» магнитные вихри.

     Обкатанная  идея тут же нашла своих воплотителей – ученых из Цюрихского исследовательского центра IBM, которые сейчас занимаются разработкой трековой памяти. Они заявляют, что в один чип можно впихнуть миллионы или даже миллиарды таких проволочек, что обеспечит запоминающей платформе огромную емкость. По их мнению, уже через 5–7 лет трековая память сможет появиться на рынке.

     Похоже, это будет настоящий прорыв. Компьютеры, оснащенные трековой памятью, будут  включаться мгновенно, доступ к информации ускорится в 100 000 раз. Существенно снизится и энергопотребление. В сегодняшних компьютерах оперативная память RAM должна обновляться каждую микросекунду, а это 300 мВт, даже если на компьютере не работают. У трековой памяти эти потери можно довести до нескольких мВт. Если же учесть, что компьютеры и остальная электроника потребляют сегодня 6% мировой электроэнергии, а в 2025-м будут потреблять 15%, то получается немалая экономия.

    IBM построила прототип  высокоплотной быстрой  памяти

    Показанный  на днях экспериментальный чип является предвестником запоминающих устройств, сочетающих огромную ёмкость классических жёстких дисков с надёжностью  и скоростью срабатывания твердотельных схем.

    Рисунок 6. Опытный чип (показан его фрагмент) содержит несколько ячеек памяти и все сопутствующие элементы.

    Пятого  декабря 2011 в Вашингтоне на международной конференции по электронным устройствам IEDM 2011 компания продемонстрировала первый рабочий прототип памяти типа Racetrack («гоночный трек», «ипподром»).

    В устройстве Racetrack нет ни одной подвижной детали. Биты хранятся в виде чередования магнитных доменов в металлических проводках длиной в микрометры и поперечником в нанометры. Каждый такой проводок в теории может хранить десятки и сотни бит.

    Для записи и чтения стенки магнитных  доменов сдвигаются вдоль проводков  при помощи спин-поляризованных импульсов  тока. Домены движутся в затылок  друг другу, словно машины на узкой  трассе.

    Новый чип создан по стандартной полупроводниковой  технологии CMOS. Причём все необходимые  элементы уместились на едином куске  кремния.

Нанопроводки были выполнены из сплава никеля и железа. Его тонкий слой учёные нанесли на пластину, а затем вытравили ненужные части. Каждый проводок (всего их в новом чипе 256) насчитывает в длину 10 микрометров, 150 нанометров в ширину и только лишь 20 нанометров в толщину.