ЗНАЙ ИНТУИТ, Лекция, Основи на спинтрониката

Физиците знаят от над 80 години, че електроните, когато се движат, носят със себе си не само своя електрически заряд, но и своя спин, с който са свързани собственият им магнитен момент и механичен момент на въртене на електрона. Електрониката обаче повече от 100 години пренебрегва този факт, първо защото не е знаела за това, а след това и при обикновените (неферомагнитни) метали и полупроводници, много проводими електрони с различна произволна ориентация на спина се движат едновременно. Следователно общият среден статистически пренос на спин е практически нулев. А специалистите по електроника просто не забелязват нито спиновия трансфер, нито спиновата зависимост на характеристиките на електронен трансфер. Дори в немагнетизираните феромагнитни метали, при които магнитните моменти на различни домейни са ориентирани хаотично, преносът на спина е незабележим. Едва след откриването на гигантските, тунелни и колосални магниторезистивни ефекти "ледът се счупи". Описаните по-горе магниторезистивни глави за четене, които използват характеристиките на електрическия ток във феромагнетиците, и магниторезистивната памет с произволен достъп се превръщат в първите истински въплъщения на спинтрониката - сравнително нов клон на електрониката, който използва феномена на спинозависим пренос на електрически заряд и пренос на спин.

В момента изследванията и разработките в областта на спинтрониката преживяват истински "бум". Обяснява се с факта, че завъртането на въртенето не е свързано със значителна консумация на енергия и се случва много бързо - за няколко пикосекунди (10 -12 s). Когато посоката на въртене се промени, кинетичната енергия на електрона не се променя и това практически не води до отделяне на топлина. Следователно се очаква, че спинтронните елементи на информатиката и устройствата и системите, изградени от тях, ще имат свръхвисока производителност на цена много по-малко енергия, отколкото в случая на конвенционалните електронни елементи.

Феромагнитна елементна база на спинтроника

Въртящ клапан

Феромагнитните елементи се използват в почти всички предлагани досега спинтронни устройства. Структурата на първия и най-известния от тях, получил "романтичното" име "въртящ клапан" или "въртящ клапан", е показана на фиг. 1.1 отляво. По същество това е гореописаната магниторезистивна клетка, базирана на явлението "гигантско магнитоустойчивост".

спинтрониката

Спин клапанът се състои от два конвенционални електрода (El1 и El2), "свободен" феромагнетик (SFM), много тънък слой от нормален, неферомагнитен метал (NM) и "фиксиран" феромагнетик (FFM). Магниторезистивна клетка, базирана на явлението "тунелно магнитоустойчивост", показано на фиг. 1.1 отдясно се нарича "Магнитно тунелно кръстовище" (MTJ). Тук TP е ултратънък диелектричен слой, през който електроните се тунелират.

Основната характеристика на тези спинтронни устройства е зависимостта на електрическото съпротивление на устройството или електрическия ток, който протича през него (при постоянно приложено напрежение) от индукцията на външно магнитно поле. Пример за такава характеристика е показан в предходния цикъл от лекции на фиг. 11.9 вдясно.

Въз основа на въртящ се клапан или магнитно тунелно кръстовище, спинтронична галванична изолация две електрически вериги (фиг. 1.2 вляво). Когато входен ток (Іcx) на една или друга посока, тогава създаденото от него магнитно поле обръща намагнитването на "свободния" феромагнетик в съответната посока. И стойността на изходния ток зависи от това Іизход Входните и изходните вериги са галванично изолирани.