Geum.ru

Что такое спинтроника?

Вид материалаКонспект

Содержание


Жесткие диски
Проблемы, связанные с повышением плотности записи
Подобный материал:
Что такое спинтроника?

(конспект доклада от 14 сентября 2006 года К.А. Звездин, ИОФРАН)


Спиновая электроника (спинтроника) как направление образовалась в результате комбинации подходов, присущих микроэлектронике и физики магнитных явлений. Эта отрасль науки очень близка к технологии, в ней развиваются несколько направлений как фундаментальных, так и практических. Спинтроника оперирует, в основном, не с зарядом, а со спином электрона.


Основные явления:
  • гигантское магнитное сопротивление
  • туннельное магнитное сопротивление
  • спиновая инжекция
  • магнитные полупроводники
  • перенос спина

Основные приборы
  • головки записи, сенсоры
  • магнитная память – уже есть
  • спиновые полевые транзисторы, спиновые светодиоды
  • магнитная логика
  • квантовые вычислители

Направления разработки спинтронных приборов:
  • Спиновый инжектор
  • Приборы, основанные на спиновом транспорте
  • Спиновые транзисторы
  • Магнитная память
  • Считывающие головки для жестких дисков
  • Датчики магнитного поля


Рассмотрим эффекты гигантского магнитного сопротивления и туннельного магнитного сопротивления (GMR и TMR).

Через немагнитную металлическую прослойку пропускается ток в направлении либо в плоскости слоев, либо перпендикулярно ей. Намагниченность жесткого материала зафиксирована, а магнито-мягкого материала – может меняться в зависимости от внешнего поля. Если намагниченности в такой системе антипараллельны, то сопротивление резко возрастает.

Туннельное магнитное сопротивление очень похоже на предыдущий эффект, только вместо немагнитного металла средний слой является диэлектриком. В таком случае, если слой диэлектрика достаточно тонкий, проявляется туннельный эффект. Вероятность туннелирования электрона через потенциальный барьер сильно зависит от взаимной ориентации намагниченностей слоев – спин-зависимое туннелирование.


Магнитная память произвольного доступа MRAM

Основные преимущества:
  • Энергонезависимость
  • Большая скорость доступа
  • Субмикронный размер, сравнимый с DRAM и SRAM

Шина записи с помощью тока перемагничивает магнитомягкий материал, записывая бит, а шина считывания проходит через немагнитный материал, и по сопротивлению определяет состояние бита.


Жесткие диски

Информационная плотность записи на жестких дисках резко возросла с введением в эксплуатацию головок считывания, основанных на гигантском магнитном сопротивлении. Сенсор магнитного поля на основе гигантского магнитного сопротивления – это уже реальность. На графике приведена эволюция плотности записи (по данным IBM), обратите внимание, что масштаб логарифмический!


Проблемы, связанные с повышением плотности записи

Дело в том, что размер бита определяется минимальным размером магнитного домена, а последний определяется константой анизотропии – величиной, характеризующей, насколько сложно перемагнитить материал. Чем выше константа анизотропии, то есть чем сложнее перемагнитить, тем меньше может быть размер домена с устойчивой намагниченностью. Казалось бы, можно взять магнито-жесткие материалы, но тогда для записи потребуются сильные магнитные поля, что технически создать сложно. Более того, для того, чтобы считывать традиционными методами, нужно мотать маленькие катушки, а это технически очень сложно.

Одним из методов повышения плотности записи на жестких дисках является запись, сопровождаемого нагревом. Если локально нагревать образец с помощью лазерного луча в том месте, где записан бит, то константа анизотропии уменьшается, и бит можно будет перемагнитить в меньших полях. При охлаждении до комнатной температуры константа анизотропии принимает свое прежнее значение.

Другие методы преодоления ограничений:
  • использование антиферромагнитных материалов
  • запись доменов в вертикальной плоскости
  • наноструктурированные среды


Магнитные датчики

На основе эффекта гигантского магнитного сопротивления можно делать миниатюрные датчики магнитного поля с низким энергопотреблением. Такие датчики можно использовать в следующих устройствах:

  • датчик линейного смещения

На движущуюся часть наклеивается пленка с доменами фиксированного размера. Считывающая головка проходит над доменами и перемагничивается, и изменяется ток. По числу изменений тока можно судить о перемещении, скорости, ускорении и т.д.



  • датчик углового смещения

устроен аналогичным образом, только пленка крепится на ободе колеса

  • датчик абсолютного смещения

доменная структура устроена более сложным образом, считывающая головка считывает не 1 бит, а несколько, таким образом можно определить смещение относительно начального положения головки, а не только с момента начала движения.


  • бесконтактное измерение тока

Основано на измерении магнитного поля вокруг проводника с током.


Все эти датчики могут найти свое применение, например, в автомобилестроении. Там требуется высокая надежность и малое энергопотребление. А «магниты грязи не боятся» (отсутствие контакта или перекрытие оптического пути не препятствие для магнитного поля), да и перегрузки выдерживают.

Для создания устройств спинтроники необходим, естественно, теоретический расчет. В институте микротехнологии СПИН-МТ была создана программа, которая позволяет задавать геометрию устройства и параметры материала, и на выходе получать динамику перемагничивания или петлю гистерезиса. Таким образом можно подбирать оптимальные параметры материала и геометрические параметры для получения необходимых свойств прибора. Расчет основан на решении уравнения Ландау-Лифшица с учетом всех видов взаимодействий – магнито-дипольного, обменного, анизотропного и т.д. Это очень большой объем вычислений. Например, на компьютере Athlon 3,2 ГГц с 1 Гб оперативной памяти расчет 1 точки петли гистерезиса для образца 20х20х20 нм3 занимает несколько месяцев! Поэтому используются параллельные вычисления и суперкомпьютер.

Одним из перспективных направлений в спинтронике является перемагничивание спин-поляризованным током. Этот механизм отличается от обыкновенного перемагничивания током. Обычно ток создает магнитное поле, которое перемагничивает образец. Если же ток является спин-поляризованным, то тут вступает в силу обменное взаимодействие.

Пока еще этот эффект не нашел промышленного применения, но перспективы воодушевляют.

Еще одним перспективным направлением в спинтронике является создание материалов с высоким энергетическим произведением. Энергетическое произведение – это произведение намагниченности насыщения на константу анизотропии. В природных материалах обычно оно низкое – либо высокая константа анизотропии и низкая намагниченность насыщения, либо наоборот. Идея: совместить материалы с высокой константой анизотропии и высокой намагниченностью насыщения, и создать композитный наноструктурированный материал. Над этим в настоящее время ведется интенсивная работа.

Итак, спинтроника готовит нам много новых приборов, которые, возможно, совершат революционный прорыв в технологии. Также там много и фундаментальных аспектов, которые нужно и интересно изучать.