Спинтроника (от англ. spintronics, spin electronics) представляет
собой направление физики и материаловедения, в котором используются не
только зарядовые, но и спиновые свойства электронов для передачи,
обработки и хранения информации. В традиционной электронике основным
носителем информации является электрический заряд, в то время как
спинтроника использует спин электрона, что открывает
новые возможности для функциональных материалов и устройств.
Ключевой особенностью спинтроники является возможность манипуляции
спиновыми состояниями, которые могут быть ориентированы
как «вверх» или «вниз», что создает двоичную систему, аналогичную 0 и 1
в классической электронике. Однако в отличие от электрического заряда,
спин обладает дополнительной степенью свободы и квантовой природой, что
позволяет реализовывать эффекты, недоступные традиционной
электронике.
Отличие
спинтроники от традиционной электроники
1. Используемая физическая
величина
- Традиционная электроника: работает исключительно с
зарядом электрона. Основные эффекты – проводимость,
полупроводниковая инжекция, емкость, индуцированные токи.
- Спинтроника: оперирует спином
электрона, а также его зарядом. Манипуляции со спином приводят
к новым функциональным возможностям, включая контроль магнитного
состояния материала и генерацию спиновых токов.
2. Энергетическая
эффективность
- В традиционной электронике при переключении логических состояний
требуется перемещение электрического заряда, что сопровождается
энергетическими потерями в виде джоулева нагрева.
- В спинтронике изменение состояния возможно без значительного
переноса заряда, что снижает потери энергии и открывает путь к
низкоэнергетическим вычислительным устройствам.
3. Влияние на материальные
свойства
- Электронный ток в традиционной электронике почти не влияет на
магнитные свойства материала, если речь не идет о
магнитных полупроводниках.
- В спинтронике спиновый ток способен изменять магнитное
состояние материала, вызывая эффекты, такие как
спин-ориентированное переключение (spin-transfer torque,
STT) и спин-Гальванический эффект.
4. Скорость передачи
информации
- Традиционные устройства ограничены скоростью движения заряда и
индуктивными/емкостными эффектами.
- Спиновые эффекты позволяют реализовывать очень быстрые
переключения, поскольку изменения спина могут происходить на
пико- и наносекундных масштабах.
5. Плотность и масштабирование
- В электронике плотность элементов ограничена токами утечки и
тепловыми эффектами.
- В спинтронике новые материалы и конструкции (например, магнитные
туннельные переходы, топологические изоляторы) позволяют достигать
высокой интеграции без значительного увеличения
энергопотребления.
Ключевые
физические эффекты, уникальные для спинтроники
- Спин-поляризация тока – наличие преимущественного
направления спина у движущихся электронов. Используется для создания
спин-транзисторов и магнитных памяти.
- Эффект гигантского магнитосопротивления (GMR) –
изменение сопротивления материала под действием магнитного поля; стал
основой для современных жестких дисков.
- Туннельный магниторезистивный эффект (TMR) – аналог
GMR, но с использованием квантового туннеля между магнитными слоями
через изолятор.
- Спин-ориентированное переключение (STT) –
управление магнитным состоянием наноструктур с помощью
спин-поляризованного тока, без необходимости внешнего магнитного
поля.
- Спин-Гальванический эффект и спин-Галлеев эффект –
конверсия зарядового тока в спиновый и наоборот, открывающая возможности
для интеграции с традиционной электроникой.
Материалы, используемые в
спинтронике
- Ферромагнетики (Fe, Co, Ni) – обеспечивают сильное
спиновое упорядочение.
- Полуметаллы (Heusler-сплавы) – высокоэффективная
спин-поляризация тока.
- Топологические изоляторы – материал, проводящий
спин-поляризованный ток только по поверхности.
- Антиферромагнетики – устойчивы к внешним магнитным
полям, позволяют миниатюризацию устройств.
Примеры устройств
спинтроники
- MRAM (магнитная память с произвольным доступом) –
использует TMR и STT для хранения информации; высокая скорость и
долговечность.
- Спин-транзисторы – управляют током за счет
изменения спинового состояния, потенциально заменяя MOSFET в
энергоэффективных схемах.
- Спиновые логические элементы – используют
взаимодействие спинов для реализации логических операций с минимальным
расходом энергии.
- Сенсоры на основе GMR и TMR – используются в
жестких дисках, биомедицинских датчиках и микромеханических
устройствах.
Преимущества спинтроники
- Снижение энергопотребления за счет минимизации джоулевых
потерь.
- Высокая скорость переключений и обработки данных.
- Возможность интеграции с традиционными полупроводниковыми
технологиями.
- Устойчивость к радиации и внешним электромагнитным
воздействиям.
- Потенциал для квантовых вычислений и нейроморфных систем за счет
манипуляции квантовыми спиновыми состояниями.