Spintronik - Spintronics

Spintronik (a portmanteau anlamı eğirme taşıma elektronik olarak da bilinir), sıkma elektronik , içsel bir çalışmadır Spin bir elektron ve ilişkili manyetik anda kendi temel elektronik yüke ek olarak, katı-hal cihazları . Spintronics alanı, metalik sistemlerde spin-yük kuplajıyla ilgilidir; yalıtkanlardaki benzer etkiler multiferroikler alanına girer .

Spintronics, geleneksel elektronikten temel olarak farklıdır, çünkü şarj durumuna ek olarak, elektron spinlerinden veri depolama ve transfer verimliliğindeki çıkarımlarla birlikte daha fazla bir serbestlik derecesi olarak yararlanılır. Spintronik sistemler çoğunlukla seyreltik manyetik yarı iletkenler (DMS) ve Heusler alaşımlarında gerçekleştirilir ve kuantum hesaplama ve nöromorfik hesaplama alanında özellikle ilgi çekicidir .

Tarih

Spintronics, 1980'lerde katı hal cihazlarında spin bağımlı elektron taşıma fenomenleriyle ilgili keşiflerden ortaya çıktı. Bu, Johnson ve Silsbee (1985) tarafından ferromanyetik bir metalden normal bir metale spin-polarize elektron enjeksiyonunun gözlemini ve Albert Fert ve diğerleri tarafından bağımsız olarak dev manyeto direncin keşfini içerir . ve Peter Grünberg ve ark. (1988). Spintronikin kökeni, Meservey ve Tedrow tarafından öncülük edilen ferromanyet/süper iletken tünelleme deneylerine ve 1970'lerde Julliere tarafından manyetik tünel kavşakları üzerindeki ilk deneylere kadar izlenebilir. Spintronik için yarı iletkenlerin kullanımı, 1990 yılında Datta ve Das tarafından bir spin alan etkili transistör ve 1960 yılında Rashba tarafından elektrik dipol spin rezonansının teorik önerisiyle başladı .

teori

Ana madde: Spin (fizik)

Spin elektronun bir içsel olan açısal momentum nedeniyle yörünge hareketi açısal momentum ayrıdır. Elektronun spininin keyfi bir eksen boyunca izdüşümünün büyüklüğü, elektronun spin-istatistik teoremi tarafından bir fermiyon gibi davrandığını ima eder . Yörüngesel açısal momentum gibi, spin de büyüklüğü olarak ifade edilen ilişkili bir manyetik momente sahiptir .

.

Katı, bir çok elektron spin bir deki gibi sürekli bir manyetik momenti bulunan katmakta, örneğin, bir malzemeden ve manyetik, elektronik özellikler, birlikte hareket edebilir ferromagnet .

Birçok malzemede, elektron dönüşleri hem yukarı hem de aşağı durumda eşit olarak bulunur ve hiçbir taşıma özelliği dönüşe bağlı değildir. Bir spintronik cihaz, spin-polarize bir elektron popülasyonunun üretilmesini veya manipüle edilmesini gerektirir, bu da fazla miktarda spin yukarı veya spin aşağı elektrona neden olur. Herhangi bir spin bağımlı özelliğinin polarizasyonu X şu şekilde yazılabilir:

.

Bir net dönüş polarizasyonu, yukarı ve aşağı dönüş arasında bir denge enerjisi bölünmesi yaratılarak elde edilebilir. Yöntemler, bir malzemeyi büyük bir manyetik alana yerleştirmeyi ( Zeeman etkisi ), bir ferromıknatısta bulunan enerji alışverişini veya sistemi dengeden çıkarmaya zorlamayı içerir. Böyle bir dengesiz popülasyonun korunabileceği zaman periyodu, spin ömrü olarak bilinir, .

Difüzyonlu bir iletkende, bir spin difüzyon uzunluğu , dengede olmayan bir spin popülasyonunun yayılabileceği mesafe olarak tanımlanabilir. Metallerdeki iletim elektronlarının spin ömürleri nispeten kısadır (tipik olarak 1 nanosaniyeden az). Önemli bir araştırma alanı, bu ömrü teknolojik olarak ilgili zaman ölçeklerine genişletmeye ayrılmıştır.

Bir yukarı dönüşü, bir aşağı dönüşü ve elde edilen spin polarize elektron popülasyonunu gösteren bir çizim. Bir spin enjektörünün içinde, polarizasyon sabitken, enjektörün dışında, spin yukarı ve aşağı popülasyonlar dengeye giderken polarizasyon katlanarak sıfıra düşer.

Spin polarize bir popülasyon için bozunma mekanizmaları, genel olarak spin-flip saçılımı ve spinden fazla çıkarma olarak sınıflandırılabilir. Döndürme-çevirme saçılması, bir katı içinde dönüşü korumayan bir süreçtir ve bu nedenle, gelen bir yukarı döndürme durumunu, giden bir döndürme aşağı durumuna çevirebilir. Spindefaz giderme, ortak bir spin durumuna sahip bir elektron popülasyonunun, farklı elektron spin presesyon oranları nedeniyle zamanla daha az polarize hale geldiği süreçtir . Sınırlı yapılarda, düşük sıcaklıklarda yarı iletken kuantum noktalarında milisaniyelik dönüş ömürlerine yol açan dönüş bozulması bastırılabilir .

Süperiletkenler , manyeto direnç etkileri, dönüş ömürleri ve dağılmayan dönüş akımları gibi spintronikteki merkezi etkileri iyileştirebilir.

Bir metalde spin polarize akım üretmenin en basit yöntemi, akımı ferromanyetik bir malzemeden geçirmektir . Bu etkinin en yaygın uygulamaları dev manyeto direnç (GMR) cihazlarını içerir. Tipik bir GMR cihazı, bir aralayıcı katmanla ayrılmış en az iki ferromanyetik malzeme katmanından oluşur. Ferromanyetik katmanların iki manyetizasyon vektörü hizalandığında, elektrik direnci daha düşük olacaktır (böylece sabit voltajda daha yüksek bir akım akar), ferromanyetik katmanların hizasız olmasına göre daha düşük olacaktır. Bu bir manyetik alan sensörü oluşturur.

Cihazlarda GMR'nin iki çeşidi uygulanmıştır: (1) elektrik akımının katmanlara paralel aktığı düzlemde akım (CIP) ve (2) elektrik akımının olduğu düzleme dik akım (CPP). katmanlara dik bir yönde akar.

Diğer metal bazlı spintronics cihazları:

  • Ferromanyetik katmanları ayıran ince bir yalıtkan aracılığıyla elektronların kuantum-mekanik tünellemesi kullanılarak CPP taşınmasının sağlandığı tünel manyeto direnci (TMR).
  • Cihazdaki ferromanyetik elektrotların manyetizasyon yönünü kontrol etmek için bir spin polarize elektron akımının kullanıldığı spin transfer torku .
  • Spin dalgası mantık cihazları fazda bilgi taşır. Girişim ve spin-dalga saçılımı mantıksal işlemleri gerçekleştirebilir.

Spintronic-mantık cihazları

Ölçeklendirmeyi etkinleştirmek için uçucu olmayan döndürme mantığı cihazları kapsamlı bir şekilde araştırılmaktadır. Bilgi işleme için spinleri ve mıknatısları kullanan spin-transfer, tork tabanlı mantık cihazları önerilmiştir. Bu cihazlar, ITRS keşif yol haritasının bir parçasıdır . Mantıksal bellek uygulamaları zaten geliştirme aşamasındadır. 2017 inceleme makalesi Materials Today'de bulunabilir .

Uygulamalar

Manyetik sabit sürücülerin okuma kafaları GMR veya TMR etkisine dayanır.

Motorola , tek bir manyetik tünel bağlantısına ve 50 nanosaniyenin altında okuma/yazma döngüsüne sahip tek bir transistöre dayalı birinci nesil 256  kb manyeto dirençli rastgele erişimli bellek (MRAM) geliştirdi. Everspin o zamandan beri 4 Mb'lık bir sürüm geliştirdi  . İki ikinci nesil MRAM tekniği geliştirilmektedir: termal destekli anahtarlama (TAS) ve dönüş transfer torku (STT).

Başka bir tasarım, yarış pisti belleği , bilgiyi bir ferromanyetik telin alan duvarları arasındaki mıknatıslanma yönünde kodlar.

2012'de, senkronize elektronların kalıcı spin sarmalları, bir nanosaniyeden daha fazla, önceki çabalara göre 30 kat artış ve modern bir işlemci saat döngüsünün süresinden daha uzun süre kalıcı hale getirildi.

Yarı iletken tabanlı spintronik cihazlar

Katkılı yarı iletken malzemeler seyreltik ferromanyetizma sergiler. Son yıllarda, ZnO bazlı DMO'lar ve TiO 2 bazlı DMO'lar dahil olmak üzere seyreltik manyetik oksitler (DMO'lar) , çok sayıda deneysel ve hesaplamalı araştırmanın konusu olmuştur. Oksit olmayan ferromanyetik yarı iletken kaynaklar (manganez katkılı galyum arsenit (Ga,Mn)As gibi ), bir tünel bariyeri veya sıcak elektron enjeksiyonu kullanarak arayüz direncini arttırır.

Yarı iletkenlerde spin algılama, birden fazla teknikle ele alınmıştır:

  • İletilen/yansıyan fotonların Faraday/Kerr dönüşü
  • Elektrolüminesansın dairesel polarizasyon analizi
  • Yerel olmayan döner valf (Johnson ve Silsbee'nin metallerle çalışmasından uyarlanmıştır)
  • Balistik spin filtreleme

İkinci teknik, spin-yörünge etkileşimi eksikliğinin üstesinden gelmek ve silikonda spin aktarımını sağlamak için malzeme sorunlarının üstesinden gelmek için kullanıldı .

Dış manyetik alanlar (ve manyetik kontaklardan kaynaklanan başıboş alanlar) yarı iletkenlerde ( dönme valfi etkilerini taklit eden ) büyük Hall etkilerine ve manyetodirençlere neden olabileceğinden , yarı iletkenlerde dönüş taşınmasının tek kesin kanıtı, bir manyetik alanda dönüş presesyonunun ve faz kaybının gösterilmesidir. Hanle etkisi olarak adlandırılan enjekte edilen dönüş yönüne doğrusal olmayan .

Uygulamalar

Döndürme polarize elektrik enjeksiyonu kullanan uygulamalar, eşik akım azalması ve kontrol edilebilir dairesel polarize tutarlı ışık çıkışı göstermiştir. Örnekler, yarı iletken lazerleri içerir. Gelecekteki uygulamalar, daha dik eşik altı eğim gibi MOSFET cihazlarına göre avantajlara sahip olan bir dönüş tabanlı transistörü içerebilir .

Manyetik tünel transistörü : Tek bir taban katmanına sahip manyetik tünel transistörü aşağıdaki terminallere sahiptir:

  • Verici (FM1): Spin polarize sıcak elektronları tabana enjekte eder.
  • Baz (FM2): Tabanda dönüşe bağlı saçılma gerçekleşir. Aynı zamanda bir spin filtresi görevi görür.
  • Toplayıcı (GaAs): Arayüzde bir Schottky bariyeri oluşturulur. Yalnızca Schottky engelini aşmak için yeterli enerjiye sahip elektronları ve yarı iletkende durumlar mevcut olduğunda toplar.

Manyetoakım (MC) şu şekilde verilir:

Ve transfer oranı (TR)

MTT, oda sıcaklığında yüksek oranda spin polarize bir elektron kaynağı vaat ediyor.

Depolama ortamı

Antiferromanyetik depolama ortamı , özellikle antiferromanyetik malzeme ile bitler ferromanyetik malzeme ile birlikte depolanabildiğinden, ferromanyetizmaya bir alternatif olarak incelenmiştir . Olağan tanım olan 0 ↔ 'yukarı mıknatıslanma', 1 ↔ 'aşağı doğru mıknatıslanma' yerine, durumlar örn., 0 ↔ 'dikey olarak değişen dönüş konfigürasyonu' ve 1 ↔ 'yatay olarak değişen dönüş konfigürasyonu' olabilir.).

Antiferromanyetik malzemenin başlıca avantajları şunlardır:

  • sıfır net dış mıknatıslanma nedeniyle başıboş alanlardan veriye zarar veren bozulmalara karşı duyarsızlık;
  • antiferromanyetik cihaz elemanlarının komşu elemanlarını manyetik olarak bozmayacağı anlamına gelen yakın parçacıklar üzerinde hiçbir etkisi yoktur;
  • çok daha kısa anahtarlama süreleri (antiferromanyetik rezonans frekansı, GHz ferromanyetik rezonans frekansına kıyasla THz aralığındadır);
  • yalıtkanlar, yarı iletkenler, yarı metaller, metaller ve süper iletkenler dahil olmak üzere yaygın olarak bulunan geniş bir antiferromanyetik malzeme yelpazesi.

Net sıfır mıknatıslanmaları, geleneksel ferromanyetik spintroniklere kıyasla bunu zorlaştırdığından, antiferromanyetik spintroniklere bilgi okuma ve yazma konusunda araştırmalar yapılmaktadır. Modern MRAM'de, manyetik alanlar tarafından ferromanyetik düzenin tespiti ve manipülasyonu, elektrik akımı ile daha verimli ve ölçeklenebilir okuma ve yazma lehine büyük ölçüde terk edilmiştir. Alanlar yerine akım tarafından bilgi okuma ve yazma yöntemleri, alanlar zaten etkisiz olduğu için antiferromıknatıslarda da araştırılmaktadır. Şu anda antiferromıknatıslarda araştırılmakta olan yazma yöntemleri , spin Hall etkisinden ve Rashba etkisinden spin-transfer torku ve spin-yörünge torku aracılığıyladır . Tünel manyetodirenci gibi manyetodirenç etkileri yoluyla antiferromıknatıslarda bilgi okuma da araştırılmaktadır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar