Спинтроника (spintronics, от англ. spin electronics) — область физики конденсированного состояния и нанотехнологий, исследующая использование спина электрона и связанных с ним магнитных моментов наряду с его зарядом. В отличие от традиционной электроники, основанной исключительно на контроле электрического тока и потенциала, спинтроника использует дополнительные степени свободы, что открывает новые возможности для создания энергоэффективных устройств, обладающих высокой скоростью и плотностью хранения информации.
Спин электрона — фундаментальное квантовое свойство, связанное с его собственным угловым моментом. Спин может принимать два состояния: «вверх» и «вниз», что делает его естественным носителем бинарной информации. Манипуляции со спином основаны на взаимодействиях с магнитными полями, спин-орбитальным взаимодействием и обменными корреляциями в твердых телах.
Ключевым физическим механизмом, лежащим в основе многих устройств спинтроники, являются магниторезистивные эффекты, при которых электрическое сопротивление материала зависит от относительной ориентации спинов или магнитных моментов.
Эти эффекты показали, что спиновые степени свободы могут быть использованы для управления электрическим током на наномасштабном уровне.
Важнейшее понятие в спинтронике — спиновый ток, представляющий собой поток не только заряда, но и спинового момента. В отличие от обычного электрического тока, где электроны движутся с одинаковой статистикой по спиновым состояниям, спиновый ток характеризуется разностью концентраций электронов со спином «вверх» и «вниз».
Спиновые токи могут существовать:
Чистые спиновые токи могут генерироваться за счёт спинового эффекта Холла, когда приложенный электрический ток вызывает разделение спинов в поперечном направлении из-за спин-орбитального взаимодействия. Это направление активно развивается для создания энергоэффективных логических элементов.
Спин-орбитальное взаимодействие (СОВ) играет центральную роль в спинтронике, обеспечивая возможность управлять спином с помощью электрических полей, а не только магнитных. Взаимодействие между спином электрона и его орбитальным движением в кристаллическом потенциале приводит к ряду эффектов:
Эти эффекты открывают путь к электрическому управлению магнитными состояниями без применения внешних магнитных полей.
Одним из базовых устройств спинтроники является спиновой вентиль — структура, в которой ток зависит от взаимной ориентации намагниченности двух ферромагнитных электродов. При параллельной конфигурации сопротивление низкое, при антипараллельной — высокое.
Спиновые вентили легли в основу:
Использование спина позволяет снизить энергопотребление и повысить стабильность хранения данных по сравнению с традиционной электроникой.
MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) — одна из ключевых технологий спинтроники. Она основана на магнитных туннельных переходах и обладает рядом преимуществ:
Существует несколько разновидностей MRAM:
Эти технологии рассматриваются как возможные преемники традиционной DRAM и флеш-памяти.
Современные исследования показывают, что топологические изоляторы, вейлевские полуметаллы и двумерные материалы открывают новые горизонты для спинтроники.
Эти системы обещают создать основу для новых поколений спинтронных логических устройств.
Несмотря на значительный прогресс, перед спинтроникой стоит ряд фундаментальных и технологических задач:
В совокупности эти направления делают спинтронику одной из ключевых областей физики конденсированного состояния и наноэлектроники XXI века.