Transfer wirowania
Zjawisko przeniesienia spinu lub momentu przeniesienia spinu występuje, gdy prąd spolaryzowany spinowo przechodzi przez materiał magnetyczny. To oddziaływanie powoduje, że para wywierana jest na namagnesowanie tego ciała stałego. W ten sposób można oddziaływać na namagnesowanie bez użycia pola magnetycznego. Zjawisko to po raz pierwszy teoretycznie przewidział niezależnie L. Berger (Canergie Mellon U., USA) i J. Slonczewski (IBM Yorktown Heights) w 1996 r., a następnie zademonstrował eksperymentalnie przez firmę Sun w nanostrukturalnych stosach magnetycznych w postaci filarów. Dzięki gigantycznej magnetooporności transfer spinu stanowi podstawowe elementy składowe spintroniki .
Wprowadzenie
Transfer spinu to zjawisko w fizyce materii skondensowanej, które obejmuje właściwości transportowe elektronów w materiałach magnetycznych. Praktyczna realizacja urządzeń doświadczalnych, które mogą to zademonstrować, wymaga najnowocześniejszych technik nanofabrykacji, w tym przypadku przemysłu mikroelektronicznego. W związku z tym skorzystał z wielu wysiłków podejmowanych przez producentów pamięci elektronicznych w celu zaprojektowania radykalnie nowych komponentów, w szczególności dysków twardych o wysokiej gęstości i pamięci MRAM najnowszej generacji , opartych na zjawisku magnetorezystancji, z którym powinien nie mylić.
Ponieważ jest to zjawisko na granicy faz, transfer spinu ma wystarczającą intensywność, aby można go było wykryć w cienkich warstwach o grubości nanometrycznej.
Historyczny
Główne daty
- 1996: JC Słończewski przewiduje, że elektrony w prądzie elektrycznym o polaryzacji spinowej mogą wymieniać pęd magnetyczny z pędem magnetycznych atomów w ciele stałym
- 1996: artykuł L. Bergera wykazujący istnienie identycznego efektu w stosie warstw magnetycznych
- 1999: pierwszy eksperymentalny dowód na to, że magnetyzacja
- 2003: Kisilew i in. użyj transferu spinu do namagnesowania warstwy magnetycznej, po prostu przez wstrzyknięcie prądu stałego
Kontekst
Laboratoria firmy IBM są historycznie bardzo zaangażowane w badania nad magnetyzmem. Od lat pięćdziesiątych inżynierowie projektowali pamięci z rdzeniem magnetycznym. Następnie wynaleźli wspomnienia bąbelkowe, wykorzystując przemieszczanie ścian domen magnetycznych. Innowacje bez większego sukcesu komercyjnego. Z kolei zastosowanie gigantycznej magnetorezystancji do głowic odczytowych dysków twardych komputerów będzie imponującą rewolucją technologiczną i przemysłową. Pojemności rosną wykładniczo, nieustanna weryfikacja prawa Moore'a. Hitachi GST od tego czasu przejął biznes od IBM. Ale naukowa wiedza pozwoliła IBM znaleźć się w czołówce badań nad transferem spinu, na przykład dzięki założycielskiej pracy teoretyka JC Słończewskiego i opanowaniu nanoprodukcji SPP Parkin.
Od tego czasu postępy poczynili zarówno duzi producenci (IBM, Sony, Freescale), jak i laboratoria akademickie. Zwróć uwagę, że Francja jest szczególnie w czołówce w tej dziedzinie, co jest logicznym rozszerzeniem GMR. Nagroda Nobla Alberta Ferta w 2007 roku również poświęciła temu odkryciu dokonanemu w Orsay. Najbardziej aktywne są laboratoria CNRS-Thalès i IEF w Paryżu oraz CEA-Spintec w Grenoble. W USA możemy przytoczyć NIST (Boulder, Colorado) i Cornell University.
Opis teoretyczny
Magnetyzm i transport elektroniczny w ciałach stałych
Podstawowe pojęcia potrzebne do zrozumienia transferu spinu to:
- spin : dokładnym określeniem jest magnetyczny moment wirowania . To nie jest moment pędu, zamieszanie spowodowane widokiem elektronu wirującego wokół siebie.
- prąd wirowania: jest to przepływ momentu wirowania
- namagnesowanie : namagnesowanie jest średnią wszystkich momentów magnetycznych atomów ciała stałego. Zasadniczo są to momenty spinowe przenoszone przez niesparowane elektrony z zewnętrznych warstw atomu. W materiale magnetycznym, jeśli pobudzenie termiczne nie jest zbyt duże, ta średnia nie wynosi zero: w skali makroskopowej można zaobserwować netto moment magnetyczny.
Definicje te wyraźnie pokazują, że transfer spinu jest statystycznym wynikiem zjawiska kwantowego.
W jednej warstwie magnetycznej
Transfer spinu jest zasadniczo zjawiskiem interfejsu. Rozważmy najprostszy przypadek, w którym prąd elektryczny stara się przeniknąć przez namagnesowany materiał magnetyczny.
Przeniesienie spinu jest wynikiem ruchu każdego pojedynczego spinu podczas jego ruchu oraz efektu statystycznego na zbiór spinów prądu przepływającego przez interfejs.
W metalicznym połączeniu
Co rozumiemy przez metalowe złącze? Jest to stos cienkich warstw składający się z dwóch warstw magnetycznych oddzielonych bardzo cienką warstwą niemagnetyczną (najczęściej nazywaną przekładką).
W węźle tunelowym
Zasada jest identyczna jak w przypadku złączy metalowych. Jedna z warstw magnetycznych służy jako polaryzator dla prądu elektronowego, a druga warstwa służy jako analizator. Jednak w połączeniu tunelowym element dystansowy stanowi barierę izolującą, a transport jest regulowany przez efekt tunelowy. Fizyka na styku bariera/warstwa wolna znacznie różni się od fizyki w przypadku połączeń całkowicie metalowych.
Nanofilary
Jest to preferowana geometria podkreślająca transfer wirowania. Gdy stos warstw ma kształt słupka, namagnesowanie warstw magnetycznych ma dwie uprzywilejowane orientacje w zależności od kształtu słupka: jest to układ bistabilny. Stan systemu można odczytać dzięki magnetorezystancji. Każda zmiana orientacji namagnesowania jest wtedy łatwo wykrywalna.
Biorąc pod uwagę konwencje znaków, wykres fazy pola / prądu pokazano na rysunku (należy uwzględnić).
Aplikacje
Zalety i wady
Transfer spinu nie został jeszcze skomercjalizowany, z wyjątkiem formy demonstracyjnej. Jednak potencjalne zastosowania są liczne. W rzeczywistości umożliwia lokalną manipulację namagnesowaniem bez uciekania się do zewnętrznego pola magnetycznego, w skali nanometrycznej i nanosekundowej. Zalety są liczne:
- niskie zużycie energii power
- brak interakcji z sąsiednimi komponentami, co umożliwia umieszczenie dużej liczby komponentów na tym samym chipie. W tradycyjnej pamięci MRAM każdy bit jest manipulowany przez wytworzone w pobliżu pole magnetyczne, którego natężenie maleje o 1/r; ryzyko selekcji krzyżowej jest potencjalnie znaczące
- pojawia się przy prądach stałych, łatwych do wygenerowania w chipie
Elektronika wirowania
W niedalekiej przyszłości mogliśmy zaobserwować pojawienie się na rynku produktów, które mogą wykorzystywać transfer spinowy:
- magnetyczny element pamięci (STT-MRAM)
- okrągła pamięć elektroniczna (napęd obrotowy)
- elektroniczny oscylator częstotliwości sterowany prądem stałym (modulacja częstotliwości)
- detektor ultra-niskiego pola magnetycznego
- detekcje mikrofalowe