Spintronics - електроника от следващо поколение
Споделете в социалните мрежи:
Без преувеличение, втората половина на 20 век може да се нарече ера на микроелектрониката. През тези 50 години светът стана свидетел на технологична революция, станала възможна от цифровата логика и информационните технологии, базирани на нея. Въпреки това, във всякакви устройства, от първия транзистор до съвременните микропроцесори, които изумяват със своите изчислителни възможности, микроелектрониката използва главно само едно свойство на електрона - неговия заряд. В същото време електронът има още една, чисто квантово-механична характеристика - свой собствен ъглов момент или спин (и свързания с него магнитен момент), който доскоро не получаваше много внимание от разработчици и изследователи. Днес ситуацията се променя и на преден план излиза нова технология, наречена "спинтроника" (спинтроника - от спин транспортна електроника или спин базирана електроника). Спомнете си, че във външно магнитно поле вътрешният магнитен момент на електрона, дължащ се на спина, е ориентиран или успоредно на вектора на магнитната индукция (нагоре) или антипаралелно (надолу). В устройства, базирани на спиновия ефект, се използват по-специално феромагнетици. Ето защо, преди да преминем към техните (устройства) по-подробно, ще опишем накратко магнитните свойства на тези материали.
Феромагнетиците са вещества, в които собственото им (вътрешно) магнитно поле може да бъде стотици и хиляди пъти по-голямо от външното магнитно поле, което го е причинило. Това се обяснява със съществуването на така нареченото обменно взаимодействие, свързано с припокриването на вълновите функции на електрони, принадлежащи на съседни атоми на кристалната решетка, както и на некомпенсирани спинови магнитни моменти на валентни електрони. Именно обменното взаимодействие кара спиновете на електроните да се ориентират паралелно или антипаралелно, в зависимост от това кое от състоянията е енергийно по-благоприятно. В първия случай те говорят за феромагнетизъм, а във втория - за антиферомагнетизъм.
При температури под така наречената точка на Кюри, феромагнетикът се разпада на области на спонтанно намагнитване. При липса на външно магнитно поле посоките на векторите за намагнитване на различни домейни са произволни и полученото намагнитване на цялото тяло може да бъде нула. Във външно магнитно поле векторите на намагнитване са ориентирани в предпочитаната посока, създавайки силно вътрешно магнитно поле.
Магнитната структура на антиферомагнетичен кристал може да се разглежда като състояща се от две подрешетки, магнетизирани срещуположно една на друга. Ако магнитните моменти на подрешетките са числено равни, тогава не възниква спонтанно намагнитване, ако не, тогава се появява (феримагнетизъм). Феритите например имат такива свойства. При ниски температури магнитната чувствителност на антиферомагнетиците е незначителна, т.е.на практика не се магнетизират във външно магнитно поле.
Устройства, използващи въртящи ефекти
Началото на новата електроника, базирана на физически ефекти, причинени от спина, датира от 1988 г., когато е открит феноменът Гигантско магнито съпротивление (GMR). GMR се наблюдава в изкуствени тънкослойни материали, съставени от редуващи се феромагнитни и немагнитни слоеве. Съпротивлението на такъв композит е минимално, когато магнитните полета във феромагнитните слоеве са успоредни и максимално, когато са антипаралелни.
Устройствата, използващи GMR, се основават на т. Нар. Центрофугиращ клапан, чиято структура е показана на фиг. 1. Състои се от два слоя феромагнетик (сплави на никел, желязо и кобалт), разделени от тънък слой немагнитен метал (обикновено мед). В един от слоевете на феромагнетика магнитното поле е „фиксирано“, с други думи, намагнитването на този слой е относително нечувствително към промените във външното магнитно поле. Това фиксиране на магнитното поле обикновено се извършва с плътно прилепващ антиферомагнитен слой. Полученият интерфейс между двата филма предотвратява промяна в намагнитването във феромагнетика. Друг слой от феромагнетика е "свободен" - неговото намагнитване може да бъде променено от външно поле с относително ниска якост. Съпротивлението на въртящия се клапан в антипаралелните магнитни полета във феромагнетиците е с 5-10% по-високо, отколкото при паралелните.