0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Спинтроника как предчувствие

Содержание

Спинтроника: будущее электронных устройств

Чтобы удовлетворить желание мира в росте вычислительной мощи при постоянно уменьшающейся стоимости энергии, ученые решили заглянуть в область спинтроники (электроника спина) и разработать новое поколение высокоскоростных и эргономичных электронных устройств.

Новое исследование команды физиков Ноттингемского университета было опубликовано 20 августа 2013 года в журнале Nature Communications и сообщает о разработке нового антиферромагнитнго спинтронического материала из меди-марганца-мышьяка (CuMnAs), который мог бы существенно помочь в продвижении этой области.

Доктор Питер Уодли, научный сотрудник Физико-астрономической школы сообщил:

«Мы работаем в относительно неизведанной области прикладной физики, и наше исследование дает свежий взгляд на физические основы новой области антиферромагнитной спинтроники. Этот материал дает нам возможность создать новые структуры для устройств в области микроэлектроники путем объединения функциональности спинтроники и наноэлектроники при комнатной температуре».

Там, где обычная электроника полагается только на показатель заряда электрона, спинтроника использует другую фундаментальную особенность электрона, которая называется спин. Подробнее о спине мы писали здесь.

В антиферромагнетиках спины электронов в соседних атомах, как правило, компенсируют друг друга. Поэтому они могут выполнять активную роль в спинтронных устройствах. Последние расчеты и эксперименты выявили ряд новых физических явлений, связанных с антиферромагнетиками, в том числе потенциал к памяти и чувствительности. Этот новый материал с высоким качеством кристалла и совместимостью с существующими ныне полупроводниками является перспективным кандидатом для формирования новой сферы антиферромагнитной спинтроники.

Функциональность логики и возможность хранения

Большинство современных электронных устройств на базе обычной технологии полупроводников опираются на присутствие или отсутствие электронов, несущих заряд. С другой стороны, многие формы памяти — тот же жесткий диск — используют магнетизм для хранения данных.

Доктор Уодли отмечает:

«В течение долгого времени физики и промышленность в целом хотели объединить два этих свойства — функциональную логику полупроводников и возможность накопления у магнитов — в один материал. И это часть задач спинтроники. В спинтронике вы можете полагаться не только на присутствие или отсутствие заряда, но также и на фундаментальное квантовое свойство электрона под названием «спин».

Традиционно команда Физико-астрономической школы в Ноттингеме достигала этого путем «допинга» обычных полупроводников магнитными элементами с целью получения разбавленных ферромагнитных полупроводников. В этой области родилось много интересных физических и функциональных открытий, но она постоянно страдала от массы недостатков. Сложность заключается в передаче технологий коммерческому сектору — рабочие температуры слишком низкие и устройства перестают работать при комнатной температуре.

От ферромагнетиков к антиферромагнетикам

Ноттингемская команда в сотрудничестве с пражским Институтом физики ASCR решила иначе подойти к проблеме. Ученые заинтересовались материалами, которые являются не ферромагнетиками, а антиферромагнетиками, другой формой магнитного порядка. Антиферромагнетики уже используются в современной электронике, но играют пассивную роль. Недавние устройства показали, что они могут быть использованы в качестве активного компонента в электронных устройствах.

Доктор Уодли сообщает следующее:

«Взгляд на антиферромагнетики, как на активный компонент спинтронных устройств, открывает новый массив систем материалов, которые следует исследовать, многие из которых обладают высокими критическими температурами. С CuMnAs мы добрались до очень хорошей системы для изучения новой сферы антиферромагнитной спинтроники».

Новое соединение выращивается из атомов слой за слоем

Новое соединение, которое создается слой за слоем из атомов, показывает ряд благоприятных свойств, в том числе высокую температуру работы и совместимость с обычными полупроводниковыми материалами, которые используются на гребне электроники. Для установки магнитных свойств нового материала на атомном уровне были проведены передовые эксперименты с дифракцией нейтронов с использованием инструмента WISH на нейтронной фабрике ISIS под руководством доктора Дмитрия Халявина и профессора Шона Лэнгриджа.

Вот что отмечает последний:

«Выполнение нейтронной дифракции на слое, который в тысячу раз тоньше человеческого волоса, достаточно сложная задача, но инструмент WISH в ISIS хорошо оснащен для решения такого вопроса. С WISH мы смогли предоставить уникальную информацию абсолютно атомарного масштаба антиферромагнитной структуры, которая имеет важное значение для понимания этого прекрасного материала».

За спином будущее

Спинтроника дает возможность снизить уровень энергопотребления, а значит — увеличить плотность вычисления и хранения. И поскольку антиферромагнетики не обладают общим магнитным полем, антиферромагнетическая спинтроника означает то, что отдельные устройства не будут взаимодействовать друг с другом и в теории могут быть упакованы совместно с высокой плотностью.

Что ж, если хотите увидеть мир со спинтроникой, отправляйтесь в будущее.

2020 год начался, мягко говоря, так себе, а уж продолжился сами знаете как. И мне вот что интересно – если существуют параллельные вселенные, хотя бы одна, то там есть пандемия? Или может, уже была? Ответов мы, разумеется, не узнаем, но сила воображения, вооруженная научным методом, творит чудеса. И если вы думаете, что все эти разговоры […]

Как думаете, законы физики во всей Вселенной работают одинаково и было ли так всегда? Результаты нового исследования предполагают, что в первые эпохи жизни Вселенной значение одной из важнейших фундаментальных констант – константы тонкой структуры – числом, которое, как считается, остается неизменным и описывает, как субатомные частицы взаимодействуют друг с другом – в далеких уголках космоса […]

Уже много лет умы фантастов терзают мысли о том, как объяснить читателю или зрителю, что параллельные миры существуют. Также надо объяснить, как все это работает, почему там есть жизнь и почему она похожа или не похожа на нашу. Все эти рассуждения на тему параллельных Вселенных редко приводят к каким-то конкретным ответам. Если бы все было […]

Основы спинтроники

Введение

Физики уже свыше 80 лет знают, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только свой электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный момент и механический момент вращения электрона. Однако электроника свыше 100 лет игнорировала этот факт, – сначала потому, что не знала об этом, а затем потому, что в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов проводимости с различными случайными ориентациями спина. Поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. И специалисты по электронике просто не замечали ни перенос спинов, ни спиновую зависимость характеристик переноса электронов. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы хаотически, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов «лед тронулся». Описанные выше магниторезистивные считывающие головки, в которых используются особенности электрического тока в ферромагнетиках, и магниторезистивная оперативная память стали первыми реальными воплощениями спинтроники – относительно нового раздела электроники, в котором используются явления спин-зависимого переноса электрического заряда и переноса спина.

Исследования и разработки в области спинтроники ныне переживают настоящий «бум». Он объясняется тем, что переворот спина не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд (10 -12 с). При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, и это практически не приводит к выделению тепла. Поэтому и ожидают, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем в случае обычных электронных элементов.

Ферромагнитная элементная база спинтроники

Спиновый клапан

Практически во всех предложенных до сих пор устройствах спинтроники используются ферромагнитные элементы. Структура первого и известнейшего из них, который получил «романтическое» название «спиновый клапан» или «спиновый вентиль» (англ. spin valve), показана на рис. 1.1 слева. По сути это описанная уже выше магниторезистивная ячейка на основе явления «гигантского магнетосопротивления».

Спиновый клапан состоит из двух обычных электродов (Эл1 и Эл2), «свободного» ферромагнетика (СФМ), очень тонкого слоя нормального, не ферромагнитного металла (НМ) и «фиксированного» ферромагнетика (ФФМ). Магниторезистивную ячейку на основе явления «туннельного магнетосопротивления», изображенную на рис. 1.1 справа, называют «магнитным туннельным переходом» (англ. Magnetic Tunnel Junction – MTJ). Здесь ТП – это сверхтонкий слой диэлектрика, сквозь который происходит туннелирование электронов.

Основной характеристикой этих спинтронных устройств является зависимость проходного электрического сопротивления устройства или электрического тока, который протекает сквозь него (при постоянном приложенном напряжении), от индукции внешнего магнитного поля. Пример такой характеристики приведен в предыдущем цикле лекций на рис. 11.9 справа.

Логика употребления названия спиновый клапан заключается в том, что электрическим током, протекающим сквозь такое устройство, можно управлять с помощью внешнего магнитного поля опосредованно, изменяя ориентацию спинов в «свободном» ферромагнитном слое. Некоторые авторы называют описанные выше спиновый клапан и магнитный туннельный переход также спиновыми диодами. Это название связано с тем, что эти устройства, как и диод, имеют 2 вывода и хорошо пропускают электрический ток лишь тогда, когда намагниченности соответствующих ферромагнетиков сонаправлены.

На основе спинового клапана или магнитного туннельного перехода можно реализовать спинтронную гальваническую развязку двух электрических схем ( рис. 1.2 слева). Когда через шину входа пропускают входной ток (Івх) того или иного направления, то создаваемое им магнитное поле перемагничивает «свободный» ферромагнетик в соответствующем направлении. А от этого зависит величина выходного тока Івых Входная и выходная цепи при этом гальванически развязаны.

Работа такого спинтронного устройства аналогична работе оптоэлектронной гальванической развязки, схема которой показана на рис. 1.2 справа. Входной ток Івх течет здесь через светодиод (СД) оптически связанный с фоторезистором (ФР). От того, излучает ли светодиод, зависит величина выходного тока Івых Но спинтронный аналог при наноразмерах магниторезистивной ячейки работает несравненно быстрее: частота переключений достигает нескольких десятков гигагерц.

Спин-вентильный транзистор

Предложено уже много вариантов спинтронных транзисторов. Мы рассмотрим только некоторые из них. Одним из первых был спин-вентильный транзистор – спинтронный аналог полупроводникового транзистора с металлической базой Его структура (слева) и соответствующая энергетическая диаграмма (справа) показаны на рис. 1.3 . База этого транзистора представляет собой спиновый клапан (вентиль), наноструктура которого детальнее изображена в круглой выноске.

«Свободный» ферромагнетик из сплава NiFe имеет коэрцитивную силу приблизительно 400 А/м, а «фиксированный» (из кобальта) – приблизительно 1600 А/м. Не ферромагнитная прослойка и контакт с коллектором выполнены из золота, а контакт с эмиттером (Эм-р) – из платины. На границе раздела между базой и полупроводниками образуются барьеры Шоттки. Барьер Pt–Si приблизительно на 0,1 эВ выше барьера Au-Si. На энергетической диаграмме справа эти потенциалы Шоттки обозначены через ϕШ1 и ϕШ2. Вдоль горизонтали отложена потенциальная энергия электронов, вдоль вертикали вниз – координата на перпендикуляре к плоскости слоев. Штриховыми вертикальными линиями обозначены уровни Ферми EФ в эмиттере, в базе и в коллекторе, а через UЭБ и UБК – перепады напряжения между базой и эмиттером и соответственно между базой и коллектором.

Ток IБ из эмиттера в базу подбирают так, чтобы электроны входили в базу перпендикулярно слоям спинового вентиля. Из-за наличия барьера Шоттки в базу могут пройти только «горячие» электроны. В многослойной базе большинство этих электронов ориентируются спинами вдоль направления намагниченности «свободного» ферромагнитного слоя. Дальше они проходят сквозь очень тонкий не магнитный слой золота и попадают в «фиксированный» ферромагнитный слой кобальта. Если ориентация большинства спинов параллельна намагниченности этого слоя, то они проходят сквозь него, а если антипараллельна, то не проходят и образуют ток базы (IБ). После возможных редких рассеяний в базе электроны теряют часть своей кинетической энергии, но потом и набирают ее, ускоряясь благодаря напряжению между базой и коллектором. Многим из них этой энергии достаточно, чтобы пройти сквозь барьер Шоттки на контакте Au-Si . В результате ток коллектора (IК) существенно зависит от взаимной ориентации намагниченности «свободного» и «фиксированного» ферромагнетика. А эту ориентацию можно изменять внешним магнитным полем.

Читать еще:  Intel versus AMD: Celeron 1300 против Duron 1200

На рис. 1.4 типичная зависимость коллекторного тока (IК) от напряженности внешнего магнитного поля Н. Когда эта напряженность превышает коэрцитивную силу пленки кобальта, направления намагниченности обоих ферромагнитных слоев совпадают, и сквозь спин-вентильный транзистор течет максимальный ток (точка 1). Если Н уменьшать, то немного уменьшается и ток коллектора. Когда Н уменьшится до 0, начнет возрастать в противоположном направлении и достигнет величины коэрцитивной силы «свободного» ферромагнетика (точка 2), тогда слой NiFe перемагничивается в противоположном направлении, вследствие чего коллекторный ток резко падает.

Если и дальше увеличивать Н в противоположном направлении, то при достижении значения коэрцитивной силы слоя кобальта (точка 3) начинается перемагничивание этого слоя также в направлении магнитного поля, вследствие чего направления намагниченности обеих ферромагнитных слоев опять совпадают, и коллекторный ток резко возрастает. При больших значениях Н коллекторный ток снова достигает наибольшего значения (точка 4). Если напряженность магнитного поля уменьшать (пунктирная линия), то все повторяется зеркально симметрично (точки 5, 6, 1).

В описанном спин-вентильном транзисторе коллекторный ток значительно меньше, чем ток эмиттера и базы, так что усиление тока или мощности не наблюдается. Тем не менее, чувствительность к изменениям магнитного поля вблизи точек 2, 3, 5 и 6 довольно велика. Ток изменяется почти втрое в диапазоне в несколько эрстед с очень быстрой (пикосекундной) реакцией. Такой транзистор, как видим. имеет еще и собственную «память», которая не зависит от выключения питания, и по-разному «реагирует» на изменения магнитного поля в зависимости от состояния, в котором он находится.

Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Огнев Алексей Вячеславович, Самардак Александр Сергеевич

В обзоре освещено современное состояние новой области науки «спинтроники», или «магнитоэлектрони-ки». Основное внимание уделено результатам внедрения на практике достижений нанотехнологий, а также объяснению физических принципов работы устройств спинтроники. Показано, что магнитоэлектроника уже нашла широчайшее применение в реальной жизни: от считывающих головок в жестких дисках и сверхчувствительных датчиков магнитного поля до магниторезистивной памяти и спиновых транзисторов. Рассмотрены перспективы развития спинтроники как области нанофизики и нанотехнологий.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Огнев Алексей Вячеславович, Самардак Александр Сергеевич

Spintronics: physical principles, devices, future

A review of the modern state of a new scientific area named spintronics or magnetoelectronics is given. Special emphasis is laid on practical application of nanotechnological achievements. Physical principles of operation of spintronics devices are discussed. It is shown in the review that magnetoelectronics has been widely applied in our life: for example, in a sensing head of hard drives, in supersensitive magnetic field sensors, in MRAM and spin-transistors. Three-terminal spin-electronic devices of various types including hot carrier and hybrid spin/semiconductor devices are introduced. Spin-tunnel devices are examined, and single spin electronics is also considered. Prospects of development of spintronics as afield of nanophysics and nanotechnology are considered in the paper.

Текст научной работы на тему «Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы»

Вестник ДВО РАН. 2006. № 4

Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы

В обзоре освещено современное состояние новой области науки — «спинтроники», или «магнитоэлектрони-ки». Основное внимание уделено результатам внедрения на практике достижений нанотехнологий, а также объяснению физических принципов работы устройств спинтроники. Показано, что магнитоэлектроника уже нашла широчайшее применение в реальной жизни: от считывающих головок в жестких дисках и сверхчувствительных датчиков магнитного поля до магниторезистивной памяти и спиновых транзисторов. Рассмотрены перспективы развития спинтроники как области нанофизики и нанотехнологий.

Spintronics: physical principles, devices, future. A.V.OGNEV (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok), A.S.SAMARDAK (Far Eastern National University, Vladivostok).

A review of the modern state of a new scientific area named spintronics or magnetoelectronics is given. Special emphasis is laid on practical application of nanotechnological achievements. Physical principles of operation of spintronics devices are discussed. It is shown in the review that magnetoelectronics has been widely applied in our life: for example, in a sensing head of hard drives, in supersensitive magnetic field sensors, in MRAM and spin-transistors. Three-terminal spin-electronic devices of various types including hot carrier and hybrid spin/semiconductor devices are introduced. Spin-tunnel devices are examined, and single spin electronics is also considered. Prospects of development of spintronics as a field of nanophysics and nanotechnology are considered in the paper.

Большую часть двадцатого столетия было известно, что электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают собственным магнитным моментом, однако в практических целях это никак не использовалось. С приходом нового тысячелетия появилась новая отрасль науки — магнитоэлектроника, или, как теперь принято ее называть, спинтроника. В ее основу заложено понятие спина электрона. В соответствии с этой концепцией, согласно принципу квантования проекции спина на выбранную ось электроны разделяют на два типа носителей тока: электроны со спином-вверх и электроны со спином-вниз (% или -%).

В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых наногетероструктурах, 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, в которых можно контролировать магнитные, полупроводниковые и оптические свойства. Экспериментальная техника спинтроники включает в себя магнитооптическую спектроскопию с высоким (фемтосекундным) временным разрешением, микромеханическую магнитометрию, атомно- и магнитосиловую сканирующую микроскопию субатомного разрешения, спектроскопию ядерного магнитного резонанса и многое другое. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами.

ОГНЕВ Алексей Вячеславович — кандидат физико-математических наук (Институт физики и информационных технологий ДВГУ, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток), САМАРДАК Александр Сергеевич — кандидат физико-математических наук (Институт физики и информационных технологий ДВГУ, Владивосток).

Цель обзора — познакомить читателей со спиновой электроникой, опираясь на описание существующих физических систем, в которых спиновые эффекты играют главенствующую роль. В статье описаны уже созданные устройства и физические принципы их работы, а также охарактеризованы перспективные разработки в спинтронике и их практическое применение.

Металлические спин-электронные структуры

Значительные успехи в получении и исследовании тонких металлических пленок, достигнутые в конце XX в., привели к открытию целого ряда новых явлений, исследование которых остается актуальным и в настоящее время. Развитие технологий позволило синтезировать совершенно новые многокомпонентные материалы с контролируемыми свойствами. Наноструктуры могут состоять из чередующихся квантовых слоев или квантовых точек. При этом возникает ряд уникальных физических явлений, таких как спин-зависимое рассеивание электронов проводимости, косвенная обменная связь, поверхностная магнитная анизотропия.

Трансформации магнитных и магниторезистивных свойств в слоистых структурах во многом обусловлены косвенной обменной связью, которая возникает между тонкими ферромагнитными слоями и осциллирует при изменении толщины немагнитной прослойки. Поэтому при определенных условиях обычная ферромагнитная структура может быть преобразована в антиферромагнетик, с антипараллельным направлением магнитных моментов. Например, для мультислоев Со/Си такие магнитные фазовые переходы происходят с периодом, равным

1,0 нм. При этом, управляя структурой интерфейсов и прослойки, можно менять угол между магнитными моментами в смежных слоях от 0 до 180°.

Магнитная анизотропия возникает вследствие нарушения симметрии на границах раздела между ферромагнитным и немагнитным материалами и появления напряжений из-за несоответствия параметров кристаллических решеток. Следовательно, изменяя толщины слоев и подбирая соответствующие материалы, можно получить слоистые наноструктуры, в которых магнитные моменты будут направлены параллельно или перпендикулярно поверхности пленки. Более того, наличие ступенек или террас на поверхностях раздела, а также неоднородностей в структуре прослойки может создать условия для формирования многоосной магнитной анизотропии [5].

Наиболее известным эффектом, обнаруженным в металлических многослойных структурах, является эффект гигантского магнитосопротивления (Giant Magnetoresistance -GMR), обусловленный спиновой зависимостью рассеивания электронов проводимости от типа магнитного упорядочения смежных слоев в пленке [2]. Исследование причин указанного явления и его механизмов породило семейство новых материалов с широкими потенциальными возможностями практического применения: структуры с магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction — MTJ), спиновые вентили, спиновые нанотранзисторы и др.

Мультислойные структуры. Несмотря на то что эффект GMR обнаружен сравнительно недавно, первым явлением спинтроники можно считать открытие анизотропного магнитосопротивления в 1857 г. Было установлено, что удельное сопротивление магнитных материалов зависит от угла 0 между направлениями намагниченности и тока.

Более чем через 100 лет в мультислоях, состоящих из ферромагнитных слоев, разделенных немагнитными прослойками, было обнаружено намного большее по величине изотропное магнитосопротивление, которое назвали гигантским. Этот эффект обусловлен спин-зависимым рассеиванием электронов проводимости. В ферромагнитных металлах выделяют электроны проводимости со спином-вверх (спин направлен параллельно магнитному моменту в ферромагнетике) и со спином-вниз (спин направлен антипараллельно

Рис. 1. Принципиальная схема проводимости в многослойных магнитных пленках, показывающая, как спиновое рассеивание приводит к различной проводимости для параллельной (а) и антипараллельной (б) ориентации векторов намагничивания

магнитному моменту). Поэтому ток в ферромагнитном металле можно представить в виде суммы токов электронов со спинами обоих типов. Магнитосопро-тивление, определяемое этими токами, зависит от направления намагниченности в ферромагнитных слоях. Так, в мультислоях Со/Cu вероятность рассеивания электронов со спином, параллельным направлению намагниченности, меньше, чем для электронов со спином, направленным антипараллельно намагниченности.

Наиболее удобными объектами для исследования трансформаций магнитных и магниторезистивных свойств в структурах с эффектом GMR являются трехслойные пленки (рис. 1). При параллельном выстраивании магнитных моментов смежных ферромагнитных слоев проводимость структуры больше, чем при антипараллельном. Антиферромагнитное выстраивание магнитных моментов смежных слоев (с одинаковой величиной коэрцитивной силы НС) возникает благодаря косвенному антиферромагнитному (АФМ) взаимодействию.

Изменения магнитной структуры, вызванные АФМ связью, влияют не только на магниторезистивные, но и на магнитные свойства многослойных наноструктур. В настоящее время мало изучены механизмы влияния косвенной обменной связи на магнитную анизотропию и доменную структуру в многослойных пленках. Исследованием магнитных

и магниторезистивных свойств наноструктур занимается научная группа под руководством Л.А.Чеботкевич в ДВГУ, во Владивостоке. На примере многослойных пленок Со/С^Со было показано, что в металлических пленочных наноструктурах с косвенной АФМ связью индуцируется многоосная анизотропия [1]. Более того, представленные на рис. 2 трансформации доменной структуры (уменьшение размеров доменов до

0,43 мкм) в образцах свидетельствуют о возможности применения этих пленок в качестве сред для магнитной записи информации. Это позволит не только значительно увеличить плотность записи информации, но и повысить термостабильность магнитных носителей.

Спиновые вентили. Следующим шагом на пути совершенствования структур с GMR были спиновые вентили (СВ). Они также состоят из двух магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой. Однако намагниченность одного из слоев закреплена обменным

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения доменной структуры пленки Со/Си/Со с косвенной АФМ (а) и ФМ (б) обменной связью

взаимодействием со смежным антиферромагнитным слоем, в то время как направление намагниченности второго слоя может изменяться под действием внешнего магнитного поля. Так как ферромагнитные слои очень слабо связаны, то изменение конфигурации магнитных моментов от антипараллельной к параллельной происходит в малых магнитных полях, что обеспечивает высокую чувствительность этих структур. На основе таких элементов созданы считывающие магниторезистивные головки в жестких дисках с плотностью записи свыше 100 Гбит/дюйм2.

Известно, что величина магниторезистивного отношения в процессе перемагничива-ния СВ зависит от двух факторов: максимально достижимой величины магниторезистивного эффекта и магнитных свойств. Варьируя материалы, толщину и последовательность слоев, можно оптимизировать магнитные и электрические свойства таких наноструктур и расширить области их практического применения. За несколько лет, прошедших с момента открытия спиновых вентилей, было создано и исследовано около 11 видов СВ с различной структурой. Так, добавление тонкой прослойки Ru повышает термостабильность сенсоров. Использование кобальтового феррита в качестве изолирующего магнитожесткого слоя уменьшает шунтирующий эффект, что повышает величину GMR. Введение в слоистую структуру нанооксидных слоев и антиферромагнетиков позволяет повысить магниторезистивное отношение и чувствительность СВ.

Магнитный туннельный переход. К следующему поколению спинтроники относят структуры, основанные на явлении магнитного туннельного перехода (MTJ). MTJ состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором, обычно это Al2O3. Причем толщина изолятора настолько мала (

Читать еще:  Games Weekly. - 3DNews

Информационное пространство чувств. Предчувствие

Глава седьмая
Предчувствие

У каждого в жизни, вероятно, не один раз было предчувствие события, которое должно произойти. Сознание людей остро реагирует на сигнал предчувствия, относящийся к отрицательному событию. И это вполне понятно, что чувство сохранения жизни, заставляет сознание подготовится к возможным неприятным переживания. Чувство ожидания чего-нибудь, предстоящего и неизвестного, так характеризует литература понятие «предчувствие». Так и понимает каждый из нас. Но предчувствие, которое охватывает нас, это уже есть следствие или результат, причина которого находится вне сознания людей.

Толковый словарь русского языка Ушакова излагает понятие «предчувствие» как: — «Чувство смутного, ожидания чего-то готовящегося произойти, могущего случиться, ощущение чего-то предстоящего».

Предчувствие, это состояние или реакция подсознания под воздействием информационно энергетического сигнала информационного пространства. Вероятно, что это информационно энергетический сигнал имеет физическую природу, но диапазон, в котором он может существовать, не до-ступен для прямого восприятия (декодирования) сознанием, потому, что скорости на которых распространяется информация такого уровня, находятся за пределами прямого восприятия. Аналог такого состояния может быть вращающийся диск, при увеличении скорости вращения, глаза не могут видеть изображение на диске. Сознание обладает определённой инерцией, которая есть одним из свойств любых систем.

Понятие «предчувствие» сознание людей больше всего связывает с отрицательным психологическим состоянием. В зависимости от психологического состояния, которое вызывается информационно энергетическим сигналом, сознание людей понятие «предчувствие» разделило на две категории или составляющие: хорошее предчувствие и плохое предчувствие.

Сигналы предчувствия, относящиеся к положительным событиям, воспринимаются как нормальное, естественное хорошее самочувствие. И только в отдельных моментах осознанно «моделируют» положительны предчувствия от запланированных мероприятий. А фактически, сознание через подсознание, уже считывает ту информацию, которая ещё только сбудется в будущем. Безусловно, что сознание воспроизводит информацию не совсем адекватно, добавляя и свою информацию из имеющегося опыта.

При положительном предчувствии жизненная энергия повышается, а, следовательно, возрастает активность, генерируются планы жизнь кажется лёгкой и на душе праздник. А почему так происходит? Откуда прибавляется энергия и что это за вид энергии? И ещё много возникает вопросов, на которые сознание не пытается искать ответов. А зачем искать, когда всё прекрасно.

Но вдруг, как иногда говорят: — «не понятно, почему испортилось настроение». Ещё никакого ощущения предчувствия нет, а состояние неопределённости охватило сознание и, только потом, со-знание определяет психологическое состояние, как предчувствие.

Предчувствие, как существующая информационная структура, состоит из множества производных информационных элементов, содержащих конкретную информацию, которую сознание людей определяет через синонимы, относящие к понятию «предчувствие».

К ним относят: надежда, ожидание, предположение, предсказание, предвидение, чувствование, предугадывание, предчаяние. Но, следует отметить, что все эти, так называемые синонимы, воплощают в себе разновидность характеристик веры, сформулированных сознанием.

Понятию «Предчувствие» подобрать синоним нелогично, потому, что оно первично по отношению к чувству, которое контролируется сознанием.

Русский язык точно выражает смысл понятия «предчувствие». Это феномен, который проявляется, прежде, чем возникнут чувства. Все эти синонимы, создаются сознание, как опорные точки для логической ориентации сознания в информационном пространстве, при попытке расшифровки содержания, информационно энергетического сигнала (предчувствия), который воздействует на подсознание.

Только в русском языке, есть возможность, используя эпитеты, передать душевное со-стояние, вызванное предчувствием и придать определенности в выражении чувства, или характеризовать чувство, возникшее под воздействием предчувствия.

О предчувствиях вообще. «Глухое, лживое, лукавое, неопределенное, неясное, обман-чивое, правдивое, пророческое, смутное, странное, сумбурное, туманное, ясное и так далее.

О хорошем, радостном предчувствии. Доброе, радостное, радужное, светлое, сладкое.

О нехорошем, безрадостном предчувствии. Безотрадное, беспокойное, горестное, горькое, грозное, грустное, зловещее, злое, кошмарное, мрачное, мучительное, недоброе, нехорошее, печальное, скорбное, страшное, томительное, тоскливое, тяжелое, тяжкое, угрожающее, ужасное, худое. Ломящее, осеннее, темное». (Словарь эпитетов. 2012).

Все эти эпитеты, которым присвоены конкретные понятия, характеризующие предчувствие, необходимы сознанию для логического объяснения. Предчувствие с информационной точки зрения присутствует постоянно, но проявляется по мере складывающейся ситуации.

Авторы художественных произведений умело используя понятие «предчувствия» в отношениях своих героев, создают реальную атмосферу бытия. Невозможно представит художественные произведения (в том числе и кинофильмы), где герои, а вместе с ними и читатели, не переживают предчувствия. Предчувствия нам необходимы. Без них жизнь будет иметь другую окраску. Предчувствия порождают соответствующие переживания.

Предчувствие не такое уж и безобидное начало. Всё зависит от информационного энергетического потенциала. Предчувствие, которое вызывает положительную эмоцию, на первый взгляд является положительным качеством. Но сколько происходит трагических явлений, когда после резкого, необъяснимого эмоционального подъёма, наступает интенсивный эмоционально отрицательный эффект. Успокоение приходит через слёзы.

Очень опасны отрицательные предчувствия, которые могут привести индивидуума в неадекватное состояние. Возникшее, не обоснованное, чувство тревоги может вызвать болезненное состояние, которое ещё более усугубляет ситуацию. Подобные предчувствия считают тяжёлыми. Такого рода предчувствия могут вызвать испуг и побудить на необдуманный поступок.

В таких случаях, народная мудрость советует: — «Не верить предчувствиям».

Предчувствия могут на не осознанном уровне влиять на принятие решений, исключающих трагический исход. Таких примеров много. Но никто не может объяснить, почему он принял другое решение, отменив первое, очень важное на тот момент. Известны случаи, когда предчувствие, воздействуя на поведение, приводит к ситуации, которую называют опозданием. В таком случае благодарят судьбу. С предчувствиями нельзя играть в прядки, к ним необходимо относится осмотрительно. Предчувствие не повод для паники, а сигнал к осмыслению реальности.

В преддверии перемен в жизни, которые являются естественным этапом в процессе жизненного цикла, предчувствия выполняют определённую роль, возможно, даже главную роль в решениях, принимаемых сознанием по выбору перспективы (будущего).

Предчувствие, возможно, есть неосознанная информация о будущем, которая, иногда, проявляется в ясновидении. Предчувствию отводится важная роль в философии жизни, хотя и не понятному до конца информационному явлению.

Философы из прошлого, высказали суждение, что предвидение есть «скрытый смысл то-го, что ещё не наступило» (И. Кант, 1724 -1804). Под смыслом понимали и понимают сейчас конкретную информацию, понятие о которой существовало с античных времён.

Другой немецкий философ Ф. Г. Якоби (1743-1818) предчувствию отводил роль инициатора в работе сознания. Он считал, что «предчувствие даёт указания, которыми руководствуется человеческий разум». Суждения и умозаключения многих авторов, дают основание для утверждения, что понятие «предчувствие» имеет сложную природу. С од-ной стороны, это психологическое состояние сознания индивидуума (реальность), а с другой стороны, это не осознанная информация (содержание), энергетический сигнал (потенциал), который подключил разум к поиску истины в виртуальной информации.

Сохранились многочисленные свидетельства о том, что накануне какого – либо события, его участники за несколько дней предчувствовали его приход или исход. К предчувствиям относят и сновидения.

Воспроизведение информации во сне, это самостоятельный процесс, который после пробуждения заставляет сознание размышлять о значении сновидения. В прошлые века существовали гадалки по интерпретации снов, да и сейчас это не забыто. Люди часто рассказывают о своих сновидениях, желая узнать, что они предвещают.

Сновидение, возможно выполняет ту же задачу, что и предчувствие, но только другим способом. Предчувствие и сновидение, это два канала информации одного и того же источника. Только один канал работает в период бодрствования, а второй в период по-коя. То – есть, мы постоянно связаны с информационным пространством Вселенной, но не обязательно об этом знать.

Вероятно, основатели религии осознавали эту связь.

Иногда предчувствие связывают с интуицией, но всё же, это разные понятия. Если пред-чувствие является причиной, то интуиция выступает как следствие. Принято считать, что интуиция, это непосредственное восприятие информационного сигнала, без логического анализа.

Принятие информации к сведению или принятие решений по её поводу, принимается на воображении имеющегося опыта, но и не только. При положительном решении интуицию называют проницательностью. Проницательность, это проникновение в содержание информационного сигнала. Интуиция и проницательность, это свойства логической системы мозга, которые являются основными инструментами в познании мира, но, не единственными.

Безусловно, что одним из аспектов интуиции является жизненный опыт. Этого отрицать нельзя. Но, он всего лишь вспомогательный фактор. Ведь часто этот же опыт, становится препятствием на пути развития новых знаний, при отсутствии интуиции. В процессе по-знания мира, постоянно происходит взаимодействие опыта и интуиции, где опыт выступает не только сдерживающим, но и предостерегающим фактором.

Интуиция и проницательность, вероятно, в определённых формах используются и другими видами высших форм животного мира, не знающих что такое опыт, но вероятно им пользуются. О каком опыте в животном мире можно говорить? У них своё «чутьё» в этой области информации. Вероятно, это ихнее «чутьё» является главным элементом в овладении информацией, чтобы сохранить жизнь. И понять природу этого «чутья» сознанию людей не дано.

Стремление людей познать не познаваемое, способствует созданию различных методических пособий по развитию интуиции, повышению проницательности. Эта тенденция существует от сотворения мира. Ева интуитивно определила, что яблоко можно кушать и не отравишься, хотя даже был запрет.

Предчувствие и интуиция два понятия, под которыми сознание скрывает недоступную ему информацию.

Спинтроника

1) Фундаментальные исследования в области спинтроники

— Магнитные полупроводники InMnAs и GaMnAs, полученные методом лазерного нанесения в газовой атмосфере;

— Магнитные полуметаллические соединения;

— Ферромагнитные GaAs структуры с одиночным дельта-слоем Mn

2) Разработка и исследование новых приборов спинтроники и оптоэлектроники на основе квантово-размерных наноструктур и ферромагнитных нанослоев

1) Фундаментальные исследования в области спинтроники

В последние годы ведутся активные исследования в области спиновой электроники (спинтроники), являющейся одним из направлений современной электроники. Задачей данного направления является использование в приборах опто- и наноэлектроники одного из фундаментальных свойств носителя заряда – его спина. В связи с этим актуальной является задача по получению полупроводниковых материалов, перенос заряда в которых осуществляется преимущественно поляризованными по спину носителями. Снятие вырождения по спиновой степени свободы приводит к возникновению ферромагнетизма в таких полупроводниках.

Наиболее активно исследуются полупроводники A 3 B 5 , легированные атомами марганца, поскольку бинарные полупроводники нашли широкое практическое применение (в частности, GaAs), а введение атомов Mn, имеющих нескомпенсированный магнитный момент, приводит к появлению ферромагнитных свойств. Такие ферромагнитные полупроводниковые материалы позволяют создавать структуры с уникальными оптическими и транспортными свойствами, а именно: спиновый светоизлучающий диод и полупроводниковые магниторезистивные элементы на основе эффекта спин – зависимого транспорта носителей. Основным методом для получения магнитных полупроводников и структур на их основе является метод молекулярно-лучевой эпитаксии.

Магнитные полупроводники InMnAs и GaMnAs, полученные методом лазерного нанесения в газовой атмосфере

В лаборатории ведутся активные исследования магнитных полупроводников A 3 MnB 5 , полученных оригинальным методом – методом лазерного нанесения в газовой атмосфере [1]. В ходе ростового процесса в реакторе МОС-гидридной эпитаксии производится поочередное распыление лазером полупроводниковой мишени и мишени Mn и последующее эпитаксиальное осаждение синтезируемого вещества из образовавшейся лазерной плазмы. Данный метод позволяет получать слои магнитных полупроводников InMnAs, GaMnAs, а также слои GaAs содержащие дельта-слой Mn, проявляющие ферромагнитные свойства в транспорте носителей тока вплоть до комнатной температуры. В частности слои InMnAs демонстрируют транспорт спин-поляризованных носителей (аномальный эффект Холла) вплоть до комнатной температуры, что является наилучшим мировым достижением для данного материала.

Рис.1. Магнитополевые зависимости сопротивления Холла для слоя InMnAs при 300 и 77 K

Магнитные полуметаллические соединения

Особый интерес для спинтроники представляют ферромагнитные полуметаллические соединения типа MnB 5 , такие как MnAs, MnP, MnSb. Особенностью таких материалов является наличие запрещенной зоны для носителей заряда с одной спиновой поляризацией и металлический канал проводимости для носителей с противоположной ориентацией спина. Следствием этого является то, что перенос тока осуществляется практически 100% поляризованными по спину носителями и такие материалы могут использоваться в качестве высокоэффективных эмиттеров спин-поляризованных носителей в полупроводниковые структуры. Магнитные полуметаллы имеют высокую температуру Кюри (315 K для MnAs и порядка 600 K для MnSb), что делает их перспективными для практического применения. Кроме того технологии получения данных материалов совместимы с процессами получения полупроводников A 3 B 5 и структур на их основе. Возможно получение высококачественных эпитаксиальных слоев полуметаллических соединений MnB 5 на GaAs.

Для получения кристаллических слоев MnAs, MnP в используется метод реактивного лазерного нанесения. В ходе ростового процесса производится лазерное распыление мишени металлического Mn в атмосфере гидридов элементов пятой группы (арсина или фосфина) являющихся источниками As и P. Слои MnSb получаются методом лазерного распыления мишеней Mn и Sb в атмосфере газа-носителя (водорода). Толщина создаваемых полуметаллических слоев (как и слоев магнитных полупроводников) может варьироваться в широком диапазоне – от нескольких нанометров до сотен нанометров. Полученные слои являются ферромагнитными при комнатной температуре. Транспортные свойства этих слоев определяются поляризованными по спину носителями тока. Магнитными свойствами получаемых полуметаллических (и полупроводниковых) слоев можно управлять путем изменения ростовых параметров, таких как температура ростового процесса и количество подаваемого в реактор газа-источника.

Читать еще:  Облачный игровой сервис GeForce Now теперь доступен всем

Ферромагнитные GaAs структуры с одиночным дельта-слоем Mn

Наряду с получением однородно-легированных ферромагнитных A 3 B 5 слоев значительные успехи были достигнуты в разработке приема дельта-легирования магнитной примесью [1]. Именно такой способ легирования дает больше возможностей по управлению расположением магнитных моментов примесных атомов в гетеронаноструктурах.

Впервые сочетанием методов МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) и лазерного осаждения в едином ростовом цикле было освоено получение GaAs структур с одиночным дельта-слоем марганца (cодержание марганца в дельта-слое варьировалось в пределах от 0.09 монослоя (МС) до 1.4 МС), проявляющих ферромагнетизм в гальваномагнитных свойствах [2]. Для выращивания структур использовались подложки полуизолирующего GaAs с ориентацией (100). Структуры включали в себя буферный слой GaAs, выращенный методом МОСГЭ при температуре подложки 600 или 650°C, дельта-слой марганца и покровный слой GaAs, полученные лазерным осаждением. Использование лазерного осаждения позволяет существенно понизить температуру роста (до 300-400 °С), что в итоге значительно подавляет диффузию марганца и позволяет получить дельтаобразный вид распределения примеси. Высокотемпературный буферный слой GaAs обеспечивает хорошее кристаллическое качество всей структуры.

Установлено, что используемый нами метод формирования структур обеспечивает большую на порядок величины электрическую активность примеси марганца при дельта-легировании GaAs по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией. Эффективная подвижность дырок в структурах GaAs c дельта-слоем Mn более чем на порядок величины при 300 К и на два порядка величины при 77 К превосходила подвижность в однородно-легированных слоях GaMnAs толщиной 0.1 мкм, с теми же значениями слоевой концентрации. Это объясняется созданием дырочного канала протекания в пределах диффузионной длины от дельта-слоя.

Рис.2. Схематическое изображение GaAs структуры с дельта-легирующим слоем Mn

[1] Лазерное распыление в атмосфере водорода как новый метод формирования полупроводниковых наногетероструктур / Б.Н Звонков, О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов, П.Б. Демина, А.В. Кудрин, В.П. Лесников, В.В. Подольский // Нанотехника. — 2008. — №1. — C.32-43.

[2] Ферромагнетизм в GaAs структурах с дельта-легированным Mn слоем / О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов, М.В. Дорохин, Б.Н. Звонков, И.Л. Калентьева, А.В. Кудрин // Письма в Журнал Технической Физики. – 2009. — Т.35, в.14. — С.8-17.

[3] Кудрин, А.В. Анизотропное магнетосопротивление и планарный эффект Холла в GaAs структуре с дельта-легированным Mn слоем / А.В. Кудрин, О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов // Письма в Журнал Технической Физики. – 2010. – Т.36, в.11. – С.46-53.

2) Разработка и исследование новых приборов спинтроники и оптоэлектроники на основе квантово-размерных наноструктур и ферромагнитных нанослоев

Спиновые светодиоды

Используемая методика лазерного распыления мишеней в реакторе МОС-гидридной эпитаксии позволяет комбинировать в едином ростовом процессе технологии газофазной эпитаксии и лазерного нанесения. Такая ростовая технология позволяет наносить ферромагнитные слои (полупроводниковые и полуметаллические) на высококачественные полупроводниковые слои и гетеронаноструктуры на их основе. В частности данным методом были созданы спиновые светоизлучающие диоды на основе квантовых ям InGaAs в матрице GaAs, эмиттером спин-поляризованных носителей в которых являлись дельта слои Mn либо слои магнитных полупроводников и полуметаллов.

Источники циркулярно-поляризованного излучения, знак и степень которой управляются магнитным полем, применимы в волоконно-оптических линиях связи, в криптографии, оптоэлектроники. Для успешного функционирования указанных светодиодов требуется создание источников со степенью циркулярной поляризации не ниже 50 %. Одним из перспективных светоизлучающих диодов такого типа является источник, изготовленный на основе гетероструктур с квантовой ямой и дельта-слоем Mn.

Рис.3. Зависимость степени циркулярной поляризации электролюминесценции от величины приложенного магнитного поля для диодов с InGaAs/GaAs квантовой ямой, отличающихся толщиной спейсерного слоя между квантовой ямой и дельта-слоем Mn.

Спинтроника – электроника следующего поколения

Поделитесь в соцсетях:

Спинтроника — новое направление в микроэлектронике, базирующееся на использовании такой квантово-механической характеристики электронов, как спин. Устройства, созданные на ее основе, обещают решить многие и существующие, и ожидаемые в ближайшем будущем проблемы традиционной микроэлектроники: энергонезависимость, уменьшение энергопотребления, увеличение плотности логических элементов и скорости обработки данных.

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). Напомним, что во внешнем магнитном поле собственный магнитный момент электрона, обусловленный спином, ориентируется либо параллельно вектору магнитной индукции (вверх), либо антипараллельно (вниз). В устройствах, построенных на спиновом эффекте, используются, в частности, ферромагнетики. Поэтому прежде чем переходить к их (устройств) более детальному рассмотрению, опишем вкратце магнитные свойства этих материалов.

Ферромагнетиками называются вещества, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле. Это объясняется существованием так называемого обменного взаимодействия, связанного с перекрытием волновых функций электронов, принадлежащих соседним атомам кристаллической решетки, а также нескомпенсированных спиновых магнитных моментов валентных электронов. Именно обменное взаимодействие заставляет спины электронов ориентироваться параллельно или антипараллельно в зависимости от того, какое из состояний является энергетически более выгодным. В первом случае говорят о ферромагнетизме, а во втором — об антиферромагнетизме.

При температуре ниже так называемой точки Кюри ферромагнетик разбивается на домены самопроизвольной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности разных доменов произвольны и результирующая намагниченность всего тела может быть равной нулю. Во внешнем магнитном поле векторы намагниченности ориентируются в преимущественном направлении, создавая сильное внутреннее магнитное поле.

Магнитную структуру кристалла антиферромагнетика можно рассматривать как состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешеток численно равны, то спонтанная намагниченность не возникает, если нет, то она появляется (ферримагнетизм). Такими свойствами обладают, например, ферриты. При низких температурах магнитная восприимчивость антиферромагнетиков ничтожно мала, т. е. они практически не намагничиваются во внешнем магнитном поле.

Устройства, использующие спин-эффекты

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.

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.

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%.

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 — скорость движения электронов, — 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.

Это перспективные разработки, а если вернуться к эффекту GMR, то следует отметить, что сфера его применения расширяется. Кроме прописки в технологиях чтения жестких дисков, спиновые клапаны на GMR используются в гальванических изоляторах и MRAM (Magneto resistive RAM).

GMR-базированный гальванический изолятор выполняет ту же функцию, что и оптоэлектронный, обеспечивая развязку цепей по питанию и земляной шине. Его основными элементами являются плоская катушка и GMR-сенсор, встроенные в интегральную схему (рис. 4). Для передачи сигнала из одной цепи в другую по катушке пропускается ток. Созданное им магнитное поле воздействует на GMR-сенсор. Такой изолятор работает в 10 раз быстрее современных оптических и это еще не предел.

На рис. 5 приведена схема ячейки магниторезистивной памяти (Motorola), основанной на магнитном туннельном переходе. Для хранения информации MRAM использует явление гистерезиса, а для считывания — GMR. Она функционирует подобно полупроводниковой статической памяти (SRAM), однако ее важной особенностью является способность сохранять данные при выключении питания. Если такую память использовать в персональных компьютерах, то они не будут требовать выполнения довольно длительной процедуры загрузки при включении.

Основными элементами ячейки памяти MRAM являются взаимно перпендикулярные разрядная (bit line) и числовая (word line) шины, между которыми располагается структура MTJ. При операции записи (рис. 5а) по шинам пропускается электрический ток, создающий магнитное поле, которое меняет направление намагниченности в свободном ферромагнетике. При операции чтения (рис. 5б) открывается развязывающий транзистор и ток проходит через структуру MTJ. Изменение сопротивления ячейки может быть интерпретировано как двоичные или 1. Такая память работает в 1000 раз быстрее традиционной EEPROM и не имеет ограничения по количеству циклов перезаписи.

Общим для всех устройств, описанных выше, является то, что в их основе лежит металл. Существенный недостаток такого подхода — невозможность усиливать сигналы. Очевидные металлические аналоги традиционным полупроводниковым транзисторам, в которых отток электрона из базы n-p-n транзистора позволяет десяткам других поступать от эмиттера в коллектор, сегодня отсутствуют. Найти материалы, которые обладали бы как свойствами ферромагнетиков, так и полупроводников, — давнишняя мечта исследователей. Но она труднодостижима: уж очень велико различие в кристаллической структуре и характере химических связей. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов, а с другой — легко интегрировались бы с традиционными полупроводниковыми устройствами. Идеальный ферромагнитный полупроводник должен иметь точку Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с n— и p-проводимостью в одном монокристалле. Сегодня большое внимание привлекают так называемые разбавленные магнитные полупроводники, сплавы, в которых некоторые атомы в случайном порядке заменяются атомами с магнитными свойствами, например Mn 2+ . Имеются теоретические предсказания, что для некоторых классов таких материалов точка Кюри будет выше комнатной температуры.

Несмотря на то что исследования по спинтронике проводятся во многих странах, до практических результатов еще достаточно далеко. Предстоит изучить особенности переноса спин-поляризованных электронов в различных материалах и через поверхности раздела, а также научиться генерировать их в большом количестве.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector