Спинтроника — это область физики и нанотехнологий, изучающая использование спина электрона и связанных с ним магнитных моментов для передачи, хранения и обработки информации. В отличие от традиционной электроники, где информация кодируется исключительно зарядом электрона, в спинтронике учитывается дополнительная степень свободы — спин, что открывает новые возможности для создания энергоэффективных и высокоскоростных устройств.
Ключевой принцип спинтроники заключается в том, что электроны с различной ориентацией спина могут демонстрировать различные транспортные свойства при прохождении через магнитные слои. Это явление лежит в основе спинового тока, спиновой инжекции и спинового переноса момента.
Электронный спин может находиться в двух состояниях: “вверх” и “вниз” относительно выбранной оси. В проводниках под действием внешнего магнитного поля или при прохождении через ферромагнитные слои формируется спиновая поляризация — избыточная концентрация электронов с одним направлением спина.
Спиновый ток — это поток спинового момента, который может существовать даже без переноса заряда. Его величина описывается через плотность спинового потока Js, аналогично плотности электрического тока Je, но с учетом ориентации спина:
$$ \mathbf{J_s} = \frac{\hbar}{2e} (\mathbf{J_\uparrow} - \mathbf{J_\downarrow}), $$
где J↑ и J↓ — плотности токов для спинов “вверх” и “вниз”, ℏ — приведённая постоянная Планка, e — заряд электрона.
Спиновый ток может индуцировать спиновое перенесение момента (spin-transfer torque), что позволяет управлять магнитным состоянием слоев без применения внешнего магнитного поля.
Магнитные туннельные переходы (MTJ) — это основной элемент современных спинтронных устройств. MTJ состоит из двух ферромагнитных слоев, разделённых тонким изолятором (обычно оксидом). Прохождение электронов через изолятор зависит от ориентации магнитных слоев:
Эта разница формирует эффект туннельного магнитного сопротивления (TMR), который лежит в основе работы спинтронных ячеек памяти MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). Величина TMR выражается как:
$$ \text{TMR} = \frac{R_\text{AP} - R_\text{P}}{R_\text{P}} \cdot 100\%, $$
где RP и RAP — сопротивления для параллельной и антипараллельной конфигураций.
Эффект гигантского магнитного сопротивления (GMR) был предшественником TMR и проявляется в многослойных структурах, чередующих ферромагнитные и немагнитные проводящие слои. GMR стал технологическим прорывом для создания высокоплотных жестких дисков и сенсоров магнитного поля.
Современные спинтронные устройства активно используют спин-орбитальное взаимодействие, которое связывает движение электрона с его спином. Это взаимодействие позволяет генерировать спиновые токи без необходимости прямого прохождения электрического тока через ферромагнитный слой:
Эти явления лежат в основе новых архитектур спинтронной памяти с уменьшенным энергопотреблением и высокой плотностью хранения.
MRAM — это неволатильная память, использующая магнитные состояния для хранения информации:
Ключевые преимущества MRAM:
Спинтронные устройства не ограничиваются памятью. Они способны выполнять логические операции с использованием спиновых токов и эффекта переноса спинового момента. Примеры:
Исследования показывают, что спинтронные логические схемы способны сократить потребление энергии в десятки раз по сравнению с традиционной CMOS-логикой, сохраняя при этом высокую плотность элементов и скорость работы.