Спиновая электроника

Спиновая электроника (спинтроника) — направление физики и технологий, использующее спин электрона, а не только его заряд, для обработки и хранения информации. Это революционный подход, значительно расширяющий функциональные возможности электронных устройств.

Основные концепции спиновой электроники

1. Спин электрона

   Электрон обладает внутренним квантовым угловым моментом — спином, который может принимать два проекции: «вверх» или «вниз». В традиционной электронике используется только заряд электрона, а спин не учитывается.

2. Спиновая поляризация

   Спиновая поляризация — неравенство численности электронов с разным направлением спина в материале. Ферромагнитные материалы естественно обладают высокой спиновой поляризацией, что позволяет использовать их в спинтронных устройствах.

3. Магнитный туннельный эффект

   Электроны могут туннелировать через тонкий изолятор между двумя ферромагнитными слоями. Вероятность туннелирования зависит от относительной ориентации спинов в слоях, что используется в магниторезистивных эффектах.

4. Гигантский магниторезистивный эффект (GMR)

   Изменение электрического сопротивления многослойной структуры при изменении ориентации магнитных слоев. В основе лежит спин-зависимая рассеяние электронов. GMR нашёл применение в датчиках и жестких дисках.

5. Туннельный магниторезистивный эффект (TMR)

   Аналог GMR, но с туннельным барьером, дающий более высокий коэффициент изменения сопротивления. Используется в магнитных оперативных запоминающих устройствах (MRAM).

Ключевые материалы для спиновой электроники

• Ферромагнетики: Fe, Co, Ni и их сплавы.
• Гранулированные магнитные металлы: с высокой степенью спиновой поляризации.
• Полупроводники с магнитными допантами: для создания спиновых транзисторов.
• Топологические изоляторы: обладают спиново-орбитальным взаимодействием для управления спином без магнитного поля.

Спиновые токи и спиновые калипсы

• Спиновый ток — перенос углового момента, связанный с упорядоченным движением спинов, который может быть не связан с движением заряда. Позволяет влиять на магнитное состояние материала.
• Спиновый калипс — динамический процесс передачи спинового углового момента с одного магнитного слоя на другой, ключевой в устройствах с управлением магнитной ориентацией.

Спиновые транзисторы и логика

Использование спиновых состояний для создания транзисторов и логических элементов с меньшим энергопотреблением и высокой скоростью переключения. Потенциал для квантовых вычислений и новых архитектур.

Перспективы и задачи спиновой электроники

• Увеличение спиновой поляризации и времени релаксации спина.
• Управление спиновыми состояниями без внешних магнитных полей.
• Интеграция спиновых устройств с CMOS-технологиями.
• Разработка материалов с высокой спиновой транспортной эффективностью.