Кристаллические барьеры и когерентное туннелирование

Основные принципы когерентного туннелирования

Когерентное туннелирование — это квантовомеханический процесс, при котором электроны сохраняют фазовую когерентность при прохождении через барьер. В спинтронике этот механизм играет ключевую роль в магнитных туннельных структурах (МТС), особенно в магнитных туннельных переходах (МТП) типа FM/I/FM, где FM — ферромагнитный слой, а I — изолятор.

При туннелировании через кристаллический барьер важны следующие факторы:

  1. Симметрия волновых функций: Электронные состояния в ферромагнетиках обладают определённой кристаллографической симметрией (например, Δ₁, Δ₅ и т.д.). Проход через барьер с сохранением симметрии Δ₁ приводит к максимально высокой пропускной способности, так как волновые функции с другими симметриями затухают экспоненциально быстрее.

  2. Толщина барьера: Вероятность туннелирования T описывается экспоненциальной зависимостью от толщины барьера d:

    $$ T \sim \exp(-2 \kappa d), \quad \kappa = \frac{\sqrt{2 m (U-E)}}{\hbar} $$

    Здесь m — масса электрона, U — высота барьера, E — энергия электрона. Для кристаллических барьеров Δ₁-состояния демонстрируют медленное затухание, обеспечивая высокую спиновую поляризацию туннельного тока.

  3. Энергетическая зависимость спин-поляризации: В отличие от аморфных барьеров, кристаллические (например, MgO) обладают энергетическим фильтром, который избирательно пропускает электроны с определённой симметрией и спином. Это приводит к феномену высокой туннельной магниторезистивности (TMR), достигающей более 600 % при комнатной температуре.

Механизм когерентного туннелирования через MgO

MgO является кристаллическим барьером с большой шириной запрещённой зоны (~7.8 эВ) и структурой типа NaCl. Основные особенности туннелирования через MgO:

  • Сохранение симметрии Δ₁: Волновые функции электронов с симметрией Δ₁ распространяются через MgO почти без затухания, тогда как Δ₅ и Δ₂′ состояния сильно подавляются.
  • Эффект спинового фильтра: В ферромагнитных слоях (Fe, CoFe) электрон с ↑-спином преимущественно имеет Δ₁-симметрию на поверхности, что создаёт высокую спиновую поляризацию туннельного тока.
  • Толщина барьера и резонансные состояния: Для тонких барьеров (1–2 нм) возможно появление резонансных туннельных состояний, которые усиливают когерентный поток и могут вызывать спиновые осцилляции в зависимости от магнитного конфигурации слоёв.

Когерентность и её влияние на спиновые эффекты

Когерентное туннелирование обеспечивает не только высокую TMR, но и проявление сложных квантовых эффектов:

  1. Интерференционные эффекты: Электронные волны, отражённые от интерфейсов барьера, могут интерферировать с волнами, проходящими через барьер. Это приводит к колебаниям сопротивления при изменении толщины барьера или приложенного напряжения.

  2. Зависимость от температуры: Когерентность туннельного процесса чувствительна к тепловым флуктуациям. При повышении температуры наблюдается снижение TMR, так как увеличивается рассеяние на фононах и дефектах барьера.

  3. Эффект инжекции спина: Благодаря когерентности туннелирования через кристаллические барьеры возможно эффективное инжектирование спин-поляризованных токов в полупроводники или другие металлы, что критично для спинтронных транзисторов и логических элементов.

Экспериментальные наблюдения и практические применения

  • Fe/MgO/Fe структуры демонстрируют TMR > 600 % при комнатной температуре.
  • CoFeB/MgO/CoFeB структуры позволяют интегрировать МТП в MRAM с низким энергопотреблением.
  • Изучение когерентного туннелирования через кристаллические барьеры также открывает возможности для спинового квантового управления, включая эффекты спин-волновой интерференции и резонансного туннелирования.

Ключевые моменты

  • Когерентное туннелирование сохраняет фазовую когерентность электронов и симметрию их волновых функций.
  • Кристаллические барьеры, такие как MgO, избирательно пропускают Δ₁-симметричные состояния, обеспечивая высокую спиновую поляризацию.
  • Толщина барьера, симметрия состояний и температура критически влияют на туннельный спиновый ток и TMR.
  • Когерентность туннелирования позволяет реализовать сложные спиновые эффекты, включая интерференцию и резонансные состояния.
Оглавление