CC BY
290СПИНТРОНИКА
От Редакции
Настоящий выпуск журнала РЭНСИТг 2018, 10(3) посвящен спинтронике -одному из наиболее быстро развивающихся направлений науки и техники. И хотя организовать подборку работ по самым острым проблемам спинтроники в рамках одного выпуска не предоставилось возможнымг редакция журнала считаетг что определенный срез, отражающий уровень и разнообразие исследованийг разрабатываемых прежде всего в Россииг все-таки обозначен. Редакция надеетсяг что и впредь работы по самым актуальным проблемам
развития спинтроники найдут свое отражение на страницах нашего журнала. _^-
СПИНТРОНИКА: ФИЗИЧЕСКИ Е ОСНОВЫ И УСТРОЙСТВА
Фетисов Ю. К., Сигов А. С.
МИРЭА-Российский технологический университет, https://www.mirea.ru Москва 119454, Российская Федерация
Поступила в редакцию 19 марта 2018, принята 21 мая 2018
"Спинтроника" ("spintronics") представляет собой одно из наиболее быстро развивающихся направлений науки и техники, которое в настоящее время рассматривается как наиболее перспективная технология дальнейшего развития элементной базы информационных технологий. Спинтроника включает в себя физические эффекты, обусловленные спинами отдельных электронов и спин-поляризованными токами, протекающими в тонких магнитных и полупроводниковых пленках и гетероструктурах, и устройства обработки информации на их основе. В обзоре приведены качественные оценки, демонстрирующие потенциальные преимущества спинтроники по сравнению с полупроводниковой микро- и наноэлектроникой. Рассмотрены физические явления, формирующие научную основу спинтроники, такие как доменные микроструктуры, скирмионы, спиновые волны, спин-поляризованный ток, гигантское и туннельное магнетосопротивление, спиновый перенос углового момента. Перечислены перспективные материалы спинтроники, включая ферромагнитные металлы и полупроводники, полуметаллические ферромагнитные оксиды, сплавы Гейслера. Показаны возможности управления спиновыми токами с помощью магнитных полей, механических деформаций в мультиферроидных структурах и сверхкоротких оптических импульсов. Описаны реализованные и находящиеся в стадии создания устройства на принципах спинтроники, такие как высокочувствительные датчики магнитных полей, элементы магнитной памяти с произвольным доступом, наногенераторы сверхвысокочастотного диапазона, спиновые диоды и спиновые транзисторы, спиновый голографический процессор. В заключительной части перечислены основные центры исследований по спинтронике за рубежом и в России, приведен список обзорных публикаций по теме. Ключевые слова: спинтроника, магнитные гетероструктуры, спин-поляризованный ток, спиновые волны, скирмион, магнетосопротивление, туннельный эффект, датчики магнитных полей, спиновый транзистор, спиновый генератор, спиновый процессор
PACS: 67.57.Lm, 72.25.Ba, 75.70.-i, 75.76^_
Содержание
1. Введение (344)
2. Электроника и спинтроника (344)
3. Физические основы спинтроники (345)
3.1. Магнитные структуры и спиновые волны (345)
3.2. Спин-поляризованный ток (347)
3.3. Материалы спинтроники (349)
3.4. Управление эффектами (349)
4. Устройства спинтроники (351)
5. Центры исследований по спинтронике (353)
6. заключение (354) Литература (355)
СПИНТРОНИКА
1. ВВЕДЕНИЕ
"Спинтроника" ("Spmtroшcs") представляет собой одно из наиболее быстро развивающихся направлений науки и техники, которое, по-видимому, внесет существенный вклад в развитие электроники и информационных технологий в 21 веке. Практически вся существующая в настоящее время электроника основана на использовании процесса переноса заряда электрона — электрическом токе. Попытка использовать вторую фундаментальную характеристику электрона, его собственный магнитный момент — "спин", открывает новые возможности улучшения характеристик существующих устройств электроники и создания принципиально новых устройств, в том числе: разработку высокочувствительных датчиков магнитных полей, элементов хранения информации с более высокой плотностью записи и большей скоростью переключений, управляемых наногенераторов сверхвысокочастотного и терагерцового диапазонов, новых методов вычислений и кодировки информации, использующих квантовые когерентные эффекты и т.д. Как считают многие специалисты, возможности традиционной полупроводниковой электроники в части миниатюризации и повышения быстродействия подошли к физическому пределу, что в ближайшее время приведет к нарушению закона Мура, предсказывающего увеличение мощности компьютеров примерно в 2 раза за каждые полтора года. Поскольку вся современная экономика в значительной части основана на информационных технологиях, решение этой проблемы имеет первостепенное значение. В настоящее время спинтроника рассматривается как наиболее перспективная технология дальнейшего развития элементной базы информационных технологий.
В широком смысле в понятие "спинтроника" включают физические эффекты магнитной природы, существование которых связано с магнитными свойствами веществ, возникающими из-за наличия собственных спиновых и орбитальных магнитных моментов электронов, и их применения в устройствах обработки информации микро- и нано-размеров [1-3]. Подобные явления (домены
в магнитных пленках, магнитные резонансы, спиновые волны, магнетосопротивление и т.д.) исследуют и успешно используют на практике уже более 100 лет. В узком смысле понятие "спинтроника" включает физические эффекты, обусловленные спинами отдельных электронов и спин-поляризованными токами, такие как открытые в 1980-х годах эффект спин-зависимого транспорта, туннельное магнетосопротивление, возбуждение
ферромагнитного резонанса спин-
поляризованным током и т.д. Некоторые из этих эффектов уже нашли практическое применение и оказали революционное влияние на развитие информационных технологий [4-6].
В настоящем обзоре приведены качественные оценки, демонстрирующие потенциальные преимущества спинтроники по сравнению с традиционной электроникой, перечислены основные физические явления и материалы, формирующие научную основу спинтроники, описаны некоторые из спинтронных устройств, которые уже реализованы или будут реализованы в ближайшие годы.
2. ЭЛЕКТРОНИКА И СПИНТРОНИКА
Согласно существующим в современной физике представлениям, поведение элементарной частицы "электрон" описывается законами квантовой механики. Электрон имеет массу т = 9.110-31 кг, несет элементарный заряд е = 1.610-19 Кл, обладает собственным механическим моментом ] = Ь/4п (где Ь = 6.62-10-34 Дж-сек — постоянная Планка) и связанным с ним собственным магнитным моментом М = = 9.27-10-24 Дж/Тл — магнетон Бора). Кроме того, находящийся в связанном состоянии в атоме электрон обладает также механическим и магнитным моментами, обусловленными его вращением вокруг ядра атома. Движение электрона описывается законами квантовой механики, однако для качественных оценок его можно рассматривать как классическую частицу и использовать законы классической нерелятивистской механики.
Электрон, находящийся в квазисвободном состоянии, т.е. движущийся, например, в полупроводнике, обладает кинетической энергией
тУг/2 ~ кТ, где V - скорость движения
СПИНТРОНИКА
электрона, к = 1.38-10-23 Дж/К - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина. Энергию электрона при комнатной температуре оценим, используя подход молекулярно-кинетической теории, как № ~ 1.38-10-23-300 ~410-21 Дж. Скорость электрона с такой энергией составляет V = (2kT/ж)1/2 ~ 105 м/сек, что значительно меньше скорости света. Электрон пройдет расстояние _Ъ~100 нм (характерный размер элементов в микроэлектронике) за время т ~ L/V ~ 10—7/105 ~ 10—12 сек.
В цифровой микроэлектронике электрон используется в качестве основного носителя информации, т.е наличие электрона в данной ограниченной области пространства соответствует "1", а его отсутствие - "0". Поэтому на основании приведенных вычислений можно сделать оптимистическую оценку для минимальной энергии, необходимой для записи одного бита информации ~ ^ ~10—21 Дж, и минимального времени записи или считывания этого бита информации время т ~ 10—12 сек. В современных компьютерах достигнуты рабочие частоты порядка 10 ГГц, что соответствует минимальному времени переключения одного элемента ~10—10 сек, т.е на два порядка больше, чем дала оценка.
В спинтронике физическим параметром, который используется для записи информации, является собственный магнитный момент электрона [в. Согласно квантовой механике, находящийся во внешнем магнитном поле В электрон может иметь проекцию магнитного момента на направление магнитного поля + [в или — [Б. Положительная проекция соответствует, например, "1", а отрицательная — "0". Для оценки используем классическое выражение для энергии магнитного момента, находящегося во внешнем магнитном поле № = — [вВ. Подставляя в формулу величину поля В ~1 Тл, которая достижима в реальных условиях, получаем энергию, необходимую для записи/считывания одного бита информации № ~ 9.27 10—24 1 ~ 10—23 Дж. Время, необходимое для изменения проекции магнитного момента электрона, можно оценить, используя классический подход и рассматривая движение магнитного момента во внешнем магнитном поле. Это движение описывается уравнением Ландау-Лифшица и представляет
собой вращение магнитного момента вокруг направления поля с частотой / = уВ, где у ~ 3-1010 Гц/Тл — гиромагнитное отношение. Период этого вращения при В = 1 Тл составляет 1// ~ 340—11 сек. Соответственно, поворот магнитного момента на п должен происходить за время (переключения) порядка т ~ 10—11 сек.
Из приведенных оценок следует, что при использовании для записи информации магнитного момента (т.е. спина) электрона, вместо заряда электрона, энергия записи одного бита информации может быть уменьшена от ~410—21 Дж до 10—23 Дж, т.е на 2-3 порядка. Время записи бита информации с помощью спинового элемента памяти по порядку величины сравнимо с временем записи одного бита информации с помощью зарядового элемента. Дополнительными преимуществами спинтроники, по сравнению с электроникой, как будет показано далее, является возможность реализации энергонезависимых элементов памяти и более высокая радиационная стойкость спинтронных устройств.
Результаты проведенных за последние годы экспериментальных исследований позволяют надеяться, что устройства записи и обработки информации на основе спинтронной технологии действительно позволят существенно превзойти характеристики устройств, использующих заряд электрона.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПИНТРОНИКИ
3.1. Магнитные структуры и спиновые волны
В многоэлектронных атомах собственные магнитные моменты электронов складываются с их орбитальными моментами и формируют магнитный момент атома как целого. В твердых телах, состоящих из таких атомов, обменное взаимодействие между электронами приводит к упорядочению и появлению спонтанной намагниченности вещества в отсутствие внешнего магнитного поля. В зависимости от характера взаимодействия магнитное упорядочение носит ферромагнитный или антиферромагнитный характер. В таких магнитоупорядоченных образцах при приложении постоянных или переменных магнитных полей наблюдаются различные явления, которые можно использовать для создания устройств
СПИНТРОНИКА
Рис. 1. Цилиндрические магнитные домены в
ферромагнитной пленке. записи и обработки информации.
В 1960-1980-х годах в стране и за рубежом были всесторонне исследованы доменные структуры, возникающие в тонких ферромагнитных пленках с различными типами магнитной анизотропии. Показано, что в диэлектрических монокристаллических пленках железо-иттриевого граната Y3Fe5O12 (ЖИГ) с добавками Ga, La, Sr, Sc и других элементов толщиной ~1-10 мкм, выращенных методами жидкофазной эпитаксии и обладающих анизотропией типа "легкая ось", могут существовать стабильные "цилиндрические магнитные домены" (ЦМД) микронных и субмикронных размеров (рис. 1). Были разработаны методы генерации ЦМД и управления их движением с помощью импульсных магнитных полей, изготовлены действующие макеты ЦМД элементов памяти. Однако из-за технологических сложностей и высокой стоимости гранатовых пленок это направление спинтроники не получило дальнейшего развития.
В 1970-2000 годах большое внимание в стране и за рубежом уделяли изучению спиновых волн (СВ) в монокристаллических пленках чистого ЖИГ и Ga-замещенного ЖИГ, выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложках из монокристаллов галлий-гадолиниевого граната (ГГГ, Gd3Ga5O12) с разными ориентациями (рис. 2). Показано, что ЖИГ является уникальным
Рис. 2. Схематическое изображение спиновой волны. Намагниченность вращается вокруг направления магнитного
поля.
материалом, обладающим рекордно низкими потерями в СВЧ диапазоне ~0.5-30 ГГц. Спиновые волны в пленках ЖИГ толщиной 1-20 мкм, основной вклад в энергию которых вносит дальнодействующее диполь-дипольное взаимодействие, имеют групповую скорость V ~ (1-10) -103 м/сек, длину волны ^—1-500 мкм, характерные длины распространения от сотен мкм до нескольких сантиметров, потери преобразования электромагнитного сигнала в волну и обратно ~1-10 дБ в зависимости от длины волны. Характеристики дипольных СВ легко изменять с помощью внешних относительно слабых магнитных полей Н ~ 1003000 Э, что дает им существенные преимущества по сравнению, например, с поверхностными акустическими волнами (ПАВ). Был реализован целый ряд спин-волновых устройств обработки СВЧ сигналов, таких как перестраиваемые по частоте фильтры и резонаторы, малошумящие генераторы СВЧ сигналов, управляемые фазовращатели и линии задержки СВЧ диапазона, шумоподавители и т.д. Некоторые из этих спин-волновых приборов нашли применение в системах обработки сигналов специального назначения, однако из-за высокой стоимости эпитаксиальных пленок они до сих пор не используются в коммерческих масштабах.
В последние годы интерес к спин-волновой электронике опять значительно повысился в связи с достижениями в генерации и детектировании спиновых волн в металлических пленках (пермаллой) субмикронной и нанометровой толщин, стоимость изготовления которых значительно ниже, чем эпитаксиальных гранатовых пленок [7]. Спиновые волны в металлических пленках имеют чисто обменную природу, длина волны составляет доли-единицы микрон, а расстояние распространения достигает единиц-сотен мкм. Частоту, длину волны и скорость обменных СВ можно перестраивать примерно в тех же пределах, как и дипольных СВ, путем изменения внешнего управляющего магнитного поля. Это открывает возможности создания новых управляемых спин-волновых СВЧ приборов микронных размеров. Подчеркнем, что спин-волновые устройства реализуют основной принцип спинтроники — перенос магнитного момента (спина) без переноса заряда. Поэтому характеристики устройств спин-волновой электроники, использующих методы аналоговой обработки сигналов, могут оказаться лучше
СПИНТРОНИКА
аналогич ных устройств полупроводниковой электроники.
Недавно в тонких ферромагнитных пленках обнаружили новые объекты — "скирмионы" (Т. Skyrme), которые могут оказаться перспективными для применений в устройствах спинтроники [8]. Скирмион представляет собой устойчивую двухмерную топологическую структуру с распределением намагниченности в форме кольца диаметром ~10-30 нм, которая формируется в ферромагнитной или антиферромагнитной пленке толщиной 1-100 нм вследствие конкуренции обменного взаимодействия между спинами соседних атомов и взаимодействия Дзялошинского-Мории (рис. 3). Разрабатываются методы генерации и детектирования скирмионов, управления их движением с помощью внешних магнитных полей. Использование скирмионов для хранения информации, как полагают, позволит на 1-3 порядка повысить плотность и скорость записи информации на магнитных носителях, по сравнению с существующими устройствами. Исследования в этом направлении находятся пока на стадии физических эффектов и демонстрации принципиальных возможностей. 3.2. Спин-поляризованный ток Поскольку электрон обладает как зарядом "е", так и собственным спином, и собственным магнитным моментом то электрический
ток ("направленное движение электронов") переносит не только заряд, но и спин (т.е. магнитный момент). В большинстве материалов (металлы, полупроводники и т.д.) в электрическом токе количество электронов, магнитный
момент которых направлен в определенном направлении (по магнитному полю), равно количеству электронов, момент которых направлен в противоположном направлении. В результате суммарный "спиновый ток", т.е. результирующий перенос магнитного момента электронами, равен практически нулю. Одной из основных задач спинтроники является разработка методов создания спинового тока (или "спин-поляризованного тока") и методов детектирования спинового тока [9]. В качестве характеристики спинового тока используют величину "степень спиновой поляризации тока" Р = (Д+ - + ДТ), где - число
электронов со спином, направленным, например, вдоль поля, — число электронов со спином, направленным против магнитного поля. Степень поляризации Р = 0 для неполяризованного тока и Р = 1 для полностью поляризованного тока.
Основной способ получения спин-поляризованного тока состоит в пропускании электрического тока через ферромагнетик, помещенный в магнитное поле (может использоваться внутреннее магнитное поле анизотропного ферромагнетика) с последующей инжекцией этого тока в обычный (не ферромагнитый) металл или полупроводник через границу раздела (рис. 4). Использование таких ферромагнитных материалов, как Fe, ^ N позволило получить спиновые токи с поляризацией Р ~ 0.1-0.4. При переходе спин-поляризованного тока в обычный проводник степень поляризации этого тока достаточно быстро спадает из-за рассеяния электронов на фононах. На сегодняшний день достигнуты времена релаксации и длины релаксации спин-поляризованного тока т > 100 нс и I > единиц мкм, соответственно.
Рис. 3.
Схематическое изображение распределения намагниченности в скирмионе.
Рис. 4. Схематическое изображение спин-поляризованного тока в проводнике.
СПИНТРОНИКА
Для детектирования (т.е. определения степени поляризации) спинового тока разработано несколько методов.
В методе спин-разрешающей фотоэмиссии электроны испускаются с поверхности материала и детектируются в вакууме с использованием мотовского анализатора — детектора, чувствительного к спину электрона. Это наиболее прямой метод, но он ограничен по энергетическому разрешению и по глубине в пределах верхних 5-10 А материала, что делает анализ чувствительным лишь к поверхностным состояниям и примесям. В методе магнитного туннельного перехода из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким изолирующим слоем, обычно А1 О или MgO, формируется планарный туннельный переход. Поляризацию измеряют по электрическому сопротивлению такого сэндвича ШК = 2Р2/(1+Р2). Проблема заключается в чувствительности ШК к состоянию поверхности и к выбору материала барьера, поскольку измеряемое ШК не столько свойство ферромагнетика, сколько свойство всего устройства. В методе точечного контакта поляризация рассчитывается по измеренному магнетосопротивлению.
Специфические свойства спин-
поляризованного тока проявляются в различных эффектах, наблюдаемых в структурах со слоями нанометровой толщины.
Первый из этих эффектов, известный как анизотропное магнетосопротивление (ЛМК), состоит в изменении сопротивления ферромагнитного образца при приложении к нему внешнего постоянного магнитного поля. Величина сопротивления образца зависит от взаимной ориентации тока и направления магнитного поля. Относительное изменение сопротивления для ферромагнитных металлов, например, №, не превышает долей процента.
В 1988 был открыт эффект гигантского магнетосопротивления ^МК). Эффект проявляется в структуре, представляющей собой два слоя из ферромагнитного материала (например, Со), разделенных тонкой прослойкой из неферромагнитного проводника (например, меди) (рис. 5). Электрический ток пропускается через слой проводника в плоскости структуры. При этом сопротивление структуры зависит
ап1 гег-.этадг!^ гагтотадге! —*
4
Сопйислог
Дген -5%-км,
:'П1ЦГЛГ ПП
1030 Ое
Апй Регштадпе! Р^ггсггздгй —г ии
^егготадпе* ТиппеИпд Валег
ДШЯ -2Р%-5№К, ¿51чгйМ0Г"' в и 10-30 Ое
Зиьягам ЗиЬялИе
Рис. 5. Схематическое изображение структур: Л - с гигантским магнетсопротивлением, В — с туннельным
магнетосопротивлением. от взаимного направления намагничивания ферромагнитных слоев в плоскости. При параллельной ориентации намагниченностей слоев сопротивление мало, а при встречной ориентации намагниченностей оно возрастает. Величина относительного изменения
сопротивления может достигать десяти процентов, что значительно превышает величину обычного магнетосопротивления и оправдывает использование термина "гигантский". Эффект возникает из-за зависимости эффективности рассеяния электронов от направления спина.
Еще большее изменение сопротивления наблюдается при эффекте туннельного магнетосопротивления (ТМК) Эффект
наблюдается в структуре, содержащей два слоя из ферромагнитного металла, разделенных диэлектрической прослойкой толщиной в единицы нанометров. Электрический ток пропускают перпендикулярно плоскости структуры. Благодаря малой толщине диэлектрика, электроны могут туннелировать через барьер, создавая электрический ток. Сопротивление структуры мало, если намагниченности слоев направлены в одну сторону и возрастает при встречной ориентации намагниченностей. Относительное изменение туннельного магнетосопротивления структуры может достигать сотен процентов.
Следующий эффект — спиновый перенос углового момента ^ТТ) [10] отражает свойство поляризованных электронов переносить угловой механический момент (рис. 6). Эффект наблюдается при инжекции спин-поляризованного тока достаточно высокой плотности в тонкий ферромагнитный слой перпендикулярно к поверхности слоя и проявляется в изменении направления намагниченности ферромагнитного слоя. Это приводит к
СПИНТРОНИКА
Рис. 6. Геометрия возбуждения прецессии намагниченности
при передаче механического момента спиновым током. возбуждению колебаний намагниченности ферромагнитного слоя с частотами, близкими к частотам магнитного резонанса. Явление было вначале предсказано теоретически, а затем обнаружено экспериментально в пленках Со.
Спиновый эффект Холла [11] является аналогом обычного эффекта Холла для потока электронов. Спиновый эффект Холла наблюдается при распространении потока электронов в пленке немагнитного проводника в отсутствие внешнего магнитного поля. Эффект проявляется в отклонении электронов с различными направлениями спинов к противоположным граням пленки (рис. 7). Эффект возникает из-за спин-зависимого рассеяния электронов на примесях. Обнаружен также и обратный спиновый эффект Холла, при котором спиновый ток приводит к пространственному разделению электронов с различными направления спинов. В результате между краями пленки генерируется электрическое напряжение. Эффект может быть использован для детектирования спиновых волн. 3.3. Материалы спинтроники Большое внимание в настоящее время уделяется поиску новых материалов, обеспечивающих эффективную генерацию спин-поляризованных токов при комнатных температурах и
Spin current
Рис. 7. Спиновый эффект Холла.
совместимых с хорошо разработанными технологиями современной электроники [1213]. Помимо базовых материалов спинтроники — ферромагнитных металлов Fe, Со и N1, перспективными считаются слаболегированные ферромагнитные полупроводники,
полуметаллические ферромагнитные оксиды, сплавы Гейслера и некоторые органические материалы. Среди полупроводников
наибольший интерес представляют материалы группы А3В5 и А2В6. Например, разбавленные магнитные полупроводники на основе GaAs, в которых отдельные атомы случайным образом заменены магнитными ионами Мп2+ с концентрацией до 0.07, обладающие р-типом проводимости при температурах вблизи комнатной. Или полупроводники со структурой халькогенида типа Сй Мп ОеР„. Использование
1-х х 2
полупроводников позволит существенно ускорить и облегчить процесс интеграции современных полупроводниковых технологий с технологиями спинтроники. К полуметаллам, которые считаются наиболее перспективными для применений в спинтронике, относятся Сг02 и окислы некоторых полупроводников, такие как Zn0, легированный Со. Полуметаллы — это необычные ферромагнетики, которые имеют электроны на уровне Ферми в односпиновом состоянии — все со спином по магнитному полю, или все со спином против поля. Электроны с противоположно направленным спином имеют щель в плотности состояний на уровне Ферми и поэтому не дают вклада в проводимость. Носители заряда в таких материалах имеют степень поляризации Р = 1. К кандидатам в полуметаллы относятся Ре304, ~LaSM.nO и SrFeMoO. Сплавы Гейслера — это большой класс материалов, перспективных для спинтроники. К сплавам Гейслера относятся, например, NгMnSb, РМп^Ь, CoMnSг, CoMnGe, CoMnSn и другие. Большинство сплавов Гейслера являются ферромагнетиками с температурой Кюри от 200 К до 103 К, имеют степень поляризации электронов на уровне Ферми Р ~ 1, что делает их полуметаллами [14-15].
3.4. Управление эффектами
Существует несколько подходов к управлению спиновыми токами и эффектами, используемыми в спинтронике.
СПИНТРОНИКА
Основным является управление спин-поляризованными токами с помощью магнитного поля, ориентацию и величину которого можно легко изменять с помощью внешних источников, например, пропуская обычный ток через проводники. Амплитуда управляющих магнитных полей должна составлять от долей мТл до единиц Тл. Такие поля достаточно легко реализовать в небольшой области пространства либо непосредственно с помощью токов, либо используя ферромагнетики.
Второй способ — управление спиновыми токами с помощью мультиферроидных материалов, которые обладают одновременно как магнитными, так и сегнетоэлектрическими свойствами, таких как феррит висмута B¿FeOJ (рис. 8) [16, 17]. При приложении к такому материалу электрического поля изменяются его магнитные параметры: намагниченность насыщения, ориентация вектора
намагниченности, поле магнитной анизотропии и другие. В настоящее время обнаружены десятки монокристаллических мультиферроиков, однако немногие из них обладают достаточно большим эффектом при комнатных температурах.
Магнитные параметры многих
ферромагнетиков сильно зависят от механических напряжений, которые можно создавать искусственно с помощью внешних деформации, изменения температуры и т.д. Это открывает возможности, например, в композитных пленочных структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик, управлять
намагниченностью ферромагнитного слоя,
M
^ïagnetic thin film ■ m
IM0 \
Ferroelectric substrate Ë3 l
©
Рис. 9. Композитная структура ферромагнетик-пьезоэлектрик, в которой направление намагниченности
переключается электрическим полем. прикладывая электрическое напряжение к пьезослою (рис. 9) [18]. Комбинация пьезоэффекта и магнитострикции позволяет, как показано экспериментально на структурах, содержащих пленки Ni нанометровой толщины и пьезоэлектрик с большим пьезомодулем (керамический цирконат титанат свинца, кристаллический магний ниобат — титанат свинца, ниобат лития и др.), гораздо сильнее изменять ориентация намагниченности, чем в однофазных мультиферроидных кристаллах. Прослойки из мультиферроиков или сегнетоэлектриков используются также в качестве изолирующего слоя для повышения тунннельного магнетосопротивления.
Наконец, в последние годы
продемонстрированы возможности управления спинтронными эффектами с помощью сверхкоротких оптических импульсов за счет использования обратного эффекта Фарадея (рис. 10) [19]. Эффект заключается в следующем: при падении на поверхность ферромагнитной пленки импульса света фемтосекундной длительности (—10-13—10-14 сек) с круговой поляризацией создается импульсное
1 Фе^злаШ
ДЕгрОРтЯТЩИ«
Рис. 8. Мультиферроики - материалы, обладающие одновременно ферромагнитными, сегнетоэлектрическими и Рис. 10. Перемагничивание ферромагнитной пленки
ферроэластичными
свойствами.
оптическими импульсами.
СПИНТРОНИКА
магнитное поле B величиной, по оценкам, до единиц Тл. Это поле за время импульса может изменять ориентацию намагниченности ферромагнетика, возбуждать спиновые волны СВЧ или терагерцового диапазона частот, изменять параметры спин-поляризованного тока. Ожидается, что управление с помощью оптических импульсов позволит снизить время переключения устройств спинтроники до — 10-14 сек, что на порядки меньше времен переключения устройств микроэлектроники.
4. УСТРОЙСТВА СПИНТРОНИКИ
К настоящему времени на принципах спинтроники реализованы несколько различных устройств обработки информации и еще больше находятся в стадии разработки.
Первыми из них следует назвать датчики магнитных полей [20]. Конструкция датчика показана на рис. 5. Он содержит два ферромагнитных слоя, между которыми расположен слой из неферромагнитного металла, чаще всего Cu. На один из ферромагнитных слоев нанесен магнитожесткий слой с большой анизотропией (как правило—антиферромагнетик). Из-за обменного взаимодействия на границе раздела ориентация намагниченности этого слоя фиксирована, а ориентацию второго ферромагнитного слоя можно изменять с помощью слабого внешнего магнитного поля H. Изменение ориентации намагниченности слоя вследствие GMR эффекта приводит к изменению сопротивления датчика для постоянного тока, текущего через средний слой. Такие датчики позволяют регистрировать поля с амплитудой —10-8—10-2 Тл за времена в единицы наносекунд. GMR датчики широко применяются для считывания информации, записанной на магнитные диски, что привело к увеличению информационной емкости дисков на несколько порядков за последние —20 лет. Кроме того, GMR датчики широко используются в автомобильной и авиационной промышленности, в системах обеспечения безопасности, в магнитной дефектоскопии и т.д. (рис. 11). В 2007 г. А. Ферту и П. Грюнбергу присуждена Нобелевская премия по физике за эти разработки.
Практически все ведущие электронные компании мира ведут работы по созданию
Рис. 11. Датчики поля на эффекте гигантского
магнетосопротивления и их применения. STT-MRAM (Spin-Transfer Torque Magnetic Random-Access Memory) — магнитной памяти с произвольным доступом на основе структур со спин-туннельным эффектом, которая может в ближайшие годы заменить как полупроводниковую память, так и обычную MRAM память. Конструкция STT-MRAM элемента памяти схематически изображена на рис. 12. Каждая ячейка содержит структуру с магнитным туннельным переходом, которая отвечает за хранение информации, и транзистор, с помощью которого организована адресация. Логическая "1" соответствует параллельной ориентации намагниченностей фиксированного и свободного магнитных слоев, а логический "0" — антипараллельной ориентации намагниченностей слоев структуры. Запись осуществляется путем пропускания спин-поляризованного тока через туннельный переход, который изменяет ориентацию намагниченности свободного магнитного слоя. Для считывания через ячейку пропускают слабый ток и по величине сопротивления ячейки определяют ее состояние. Использование STT-эффекта, вместо внешних магнитных полей, для изменения состояния ячейки позволило существенно снизить энергию записи.
MTJ
5TT-MFAM
Jtîk L.ivrr Bjl'ÏL'r LJïL'r r«ed Ltvi'
fiicwu TraaitafciT
Рис. 12. Конструкция элемента STT-MRAM памяти на принципах спинтроники.
СПИНТРОНИКА
Преимуществами STT-MRAM памяти являются более высокая плотность записи информации и быстродействие. Существенно, что MRAM — это энергонезависимая память, данные в которой сохраняются сколь угодно долго при отключении питания, в отличие от динамической (DRAM) памяти на полупроводниках. Это означает, что исключен длительный процесс загрузки программ с дисков в память компьютера, что значительно повышает быстродействие и снижает энергопотребление информационных систем. Согласно предварительны оценкам, память на основе спинтронных технологий должна обладать также повышенной радиационной стойкостью. В 2016 г. компания Everspin начала коммерческий выпуск 40-нанометровой памяти STT-MRAM емкостью 256 Мбит. В России выпуск микросхем STT-MRAM памяти планирует освоить компания «Крокус НаноЭлектроника».
Перспективным направлением является разработка спиновых наногенераторов СВЧ-диапазона, использующих эффект возбуждения ферромагнитного резонанса спиновым током (рис. 13) [21]. Такие генераторы имеют размеры порядка ~100 нм, потребляют мощность на уровне микроватт, частота генерируемого излучения находится в диапазоне от единиц до десятков гигагерц, мощность генерации достигает десятков нВт. В настоящее время проводятся исследования по оптимизации конструкций, увеличению мощности, целенаправленному формированию частотных характеристик генераторов. Продемонстрирована возможность создания излучающих фазированных решеток на основе таких генераторов, что позволит увеличить их мощность на 2-3 порядка. Предполагается использовать наногенераторы для передачи информации на короткие расстояния, например, внутри микропроцессоров.
Первым шагом на пути создания компьютеров,
использующих принципы спинтроники, является разработка элементов, представляющих собой функциональные аналоги диодов и транзисторов, используемых в традиционной электронике. Соответственно, были предложены и реализованы десятки прототипов спиновых диодов и спиновых транзисторов, такие как спиновый транзистор Джонсона (назван по имени изобретателя), гибридный спиновый транзистор Монсма, SPICE-транзистор, спин-полевой транзистор Датта-Даса и другие [2, 22].
В качестве примера на рис. 14 схематически изображена конструкция спин-полевого транзистора. Подобно обычному транзистору, он имеет контакты истока и стока (ферромагнетики) и затвор (полупроводник). Спин-поляризованные носители покидают исток со спинами, параллельными намагниченности ферромагнетика, и прецессируют при движении благодаря эффекту Рашбы. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1% от скорости света в вакууме. При достаточной величине напряженности магнитного поля (скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается. При варьировании потенциала на затворе можно изменять проводимость устройства. Данное устройство ведет себя как обычный полевой транзистор с той особенностью, что намагниченность его контактов (и, следовательно, его электрических характеристик) чувствительна к внешнему магнитному полю.
Кроме традиционных подходов, в спинтронике для обработки сигналов могут быть использованы и новые подходы, учитывающие специфические
Рис. 13. Конструкция и спектр генерируемых частот спин-токового генератора СВЧ-излучения.
Рис. 14. Конструкция спин-полевого транзистора.
СПИНТРОНИКА
Рис. 15. Принцип работы и конструкция спинового голографического процессора.
свойства спиновых волн [23]. На рис. 15 в качестве примера схематически изображена конструкция спинового голографического процессора.
Используется свойство когерентности спиновых волн, распространяющихся в тонкой ферромагнитной пленке. Входные преобразователи (4+4) возбуждают в структурированной пленке спиновые волны, причем фаза и амплитуда каждой волны зависят от напряжения на входном преобразователе. В местах перекрытия пучков волн спиновый ток генерирует напряжение (амплитуда которого зависит от фаз интерферирующих волн). В результате на выходных преобразователях формируются сигналы, соответствующие определенным преобразованиям входных сигналов. Подчеркнем, что в данном устройстве вся обработка информации происходит на спиновых волнах, по аналогии с оптическими процессорами. Развитие технологии вероятно позволит таким образом осуществлять обработку больших массивов данных.
Наконец, спинтроника может стать основной элементной базой для создания квантовых компьютеров, работающих на новых принципах, радикально отличающихся от используемых в настоящее время. Электрон — квантовая частица, обладающая спином и подчиняющаяся законам квантовой механики (наряду с оптическим фотоном) — является наиболее подходящим объектом для реализации так называемого "^-бита". Полагают, что первые образцы реальных квантовых компьютеров появятся уже в течение ближайших десяти лет.
5. ЦЕНТРЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СПИНТРОНИКЕ
Фундаментальными и прикладными
исследованиями в области спинтроники и ее применений в настоящее время занимаются в десятках университетов и исследовательских центрах крупных электронных фирм. Ведущую роль по уровню научных достижений и объемам финансирования играют исследовательские организации США [24]. Основными заказчиками и спонсорами исследований в этой области в США являются Оборонное агентство перспективных исследовательских проектов (DARPA), Департамент обороны США (DOD), Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL), Национальный научный фонд (NSF), фирмы IBM, Honeywell, Motorola, Infineon, Cypress Semiconductor, NEC, Toshiba, Federal Products Inc., Nonvolatile Electronics, и другие. Исследования проводились и проводятся, как правило, в рамках национальных или ведомственных программ, таких как: "Technology Reinvestments Project", "Magnetic Materials and Devices Project", "Spintronics", "SPns IN Semiconductor Project", "Quantum information Science and Technology" и других.
Ниже перечислены некоторые из ведущих научных центров в области исследований и применений спинтроники:
C-SPIN (Миннесота, США) - Центр спинтроники материалов, интерфейсов и новой архитектуры. Многопрофильный университет и индустриальный научно-исследовательский центр. Там развивают технологии спинтронных вычислительных устройств и чипов памяти. Находится на территории университета штата Миннесота. Центр финансируется пятилетним грантом в $28 млн, выданным Semiconductor Research Corporation и DARPA.
CSEQuIN — Центр спиновых эффектов и квантовой информации в наноструктурах. Находится в Университете Буффало. Его лаборатория спинтроники и полупроводников финансируется DAPRA.
CSQC (Калифорния, США) — Центр спинтроники и квантовых компьютеров. Является частью Калифорнийского института наносистем Университета Санта Барбара, США.
NANOSPIN — проект Еврокомиссии.
СПИНТРОНИКА
Объединяет 8 академических и промышленных партнеров из 6 стран Евросоюза на основе интереса к спинтронным материалам и устройствам.
Spintec — исследовательская лаборатория, где пытаются перебросить мостик от фундаментальных исследований к
перспективным технологиям для производства спинтронных устройств. Находится в Гренобле, под управлением Комиссариата по атомной энергии (CEA) и Национального центра научных исследований (CNRS) Франции. Основная тематика: запоминающие устройства, чипы памяти, MRAM, перенос спина, полупроводниковые устройства. Университеты "Université Paris-Sud", "Université Paris-Saday", "Université Paris 13" и "Université de Lorraine" во Франции, где занимаются как фундаментальными проблемами спинтроники, так и разработкой новых устройств. Исследования финансируются CNRS и Комиссариатом по атомной энергии.
Оклэндский университет в США, где основное внимание уделяют теоретическим исследованиям в области создания спинтронных генераторов СВЧ излучения и разработке устройств на их основе. Работы финансируются Национальным научным фондом США, DARPA и электронными фирмами.
В Германии в исследования по спинтронике вовлечены более 20 научных групп из различных университетов. Исследования проводятся в рамках двух Приоритетных программ и 9-ти Специальных исследовательских программ.
В Японии и Китае аналогичные исследования в области спинтроники проводятся в университетах и исследовательских центрах ведущих электронных фирм.
В России исследованиями по спинтронике занимаются отдельные научные группы в институтах Российской академии наук и университетах. В частности, в Институте радиотехники и электроники РАН, Институте общей физики РАН, Институте общей и неорганической химии РАН, Институте физики микроструктур РАН, Институте физики металлов УрО РАН, Институте физики СО РАН, в МИРЭА-Российском технологическом университете, Национальном исследовательском университете МИЭТ, Московском физико-
—I-1-1-1-1-j-1-1-1-1-j-1-1-1-1-j-1-г-
g 1000
Web of science "Spintronics"
0
2.000 2.005 2.010 2.015 Год
Рис. 16. Публикации по спинтронике. техническом институте, Санкт-Петербургском электротехническом университете (ЛЭТИ), Саратовском национальном исследовательском университете, Дальневосточном федеральном университете, Российском квантовом центре, российской компании "Крокус Наноэлектроника" и ряде других организаций. К сожалению, вклад российских исследователей и разработчиков в исследования в этой области пока незначителен. Это связано с организационными проблемами (нет госпрограмм) и с отсутствием целевого финансирования. Вместе с тем, квалификация, опыт работы и существующие международные контакты позволяют российским ученым подключиться к исследованиям в области спинтроники и сократить отставание.
Первые публикации по спинтронике появились в 1999, в настоящее время число публикаций составляет более 6 тысяч и продолжает расти. На рис. 16 приведен график ежегодного роста числа публикаций в ведущих международных журналах, построенный по базе данных Web of Science c использованием ключевого слова "spintronics". По данным Международной базы научных публикаций Web of Science число статей по теме "spintronics" достигает 9709 и неуклонно растет. Ежегодное число ссылок на статьи по теме "спинтроника" в 2016 году превысило 28 тысяч, что говорит о чрезвычайной популярности и важности этого направления.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенный краткий анализ состояния исследований и разработок в области спинтроники позволяет сделать следующие заключения:
СПИНТРОНИКА
Спинтроника является наиболее
перспективной платформой для создания элементной базы систем обработки и хранения информации следующего поколения.
Устройства спинтроники позволяют реализовать более высокую плотность записи данных, будут обладать более высокой скоростью обработки информации, пониженным энергопотреблением, более высокой радиационной стойкостью, чем существующие электронные устройства на основе полупроводников. На сегодняшний день созданы действующие прототипы таких устройств спинтроники как высокочувствительные датчики магнитных полей, энергонезависимые элементы магнитной памяти с произвольным доступом, спин-полевые диоды и транзисторы, управляемые наногенераторы СВЧ-излучения и т.д. Разрабатываются новые принципы обработки информации на основе спинтронных технологий. В развитых странах мира в университетах и исследовательских отделах фирм проводятся интенсивные исследования в области спинтроники. В США исследования финансируются военными ведомствами, Национальным научным фондом, фирмами IBM, Honeywell, Motorola, Infineon, NEC, Toshiba и другими.
В США, Европе и странах Азии (Япония, Китай) исследования по спинтронике проводятся в рамках специально организованных межведомственных
программ, исполнителями которых являются научные группы из университетов, государственных и частных исследовательских организаций. В России существуют отдельные научные группы в институтах Академии наук и ведущих университетах, занимающиеся фундаментальными исследованиями в области спинтроники. Для сокращения отставания отечественных исследователей от западных конкурентов целесообразно организовать государственные и межведомственные программы по этому направлению и увеличить финансирование работ.
Работа поддержана Министерством образования и
науки РФ (проект 8.1183.2017/ПЧ) и Российским
фондом фундаментальных исследований (грант 16-2914017).
ЛИТЕРАТУРА
1. Wolf SA, Awschalom DD, Buhrman RA et al. Spintronics: A spin-based electronics vision for the future. Science, 2001, 294(5546):1488-1495.
2. Zutic I, Fabian J, Das Sarma S. Spintronics: Fundamental and application. Reviews of modern physics, 2004, 76(2):323-410.
3. Bader SD, Parkin SSP. Spintronics. In: Annual Review of condensed matter physics, 2010, 1:71-88.
4. Wolf SA, Chtchelkanova AY, Treger DM. Spintronics — A retrospective and perspective. IBM Journal of Research and Development, 2006, 50(1)101-110.
5. Fert A. Nobel Lecture: Origin, development and future of spintronics. Reviews of Modern Physics, 2008, 80(4):1517-1530.
6. Ohno H. A window on the future of spintronics. Nature Materials, 2010, 9(12):952-954.
7. Никитов СА, Калябин ДВ, Лисенков ИВ, Славин АН, Барабаненков ЮН, Осокин СА, Садовников АВ, Бегинин ЕН, Морозова МА, Шараевский ЮП, Филимонов ЮА, Хивинцев ЮВ, Высоцкий СЛ, Сахаров ВК, Павлов ЕС. Магноника — новое направление спинтроники и спин-волновой электроники. УФН, 2015, 185(10):1099-1128.
8. Fert A, Cros V, Sampaio J. Skyrmions on the track. Nature Nanotechnology, 2013, 8:152-156.
9. Ohno Y, Young DK, Beschoten B, Matsukura F, Ohno H, Awschalom DD. Electrical Spin Injection in a Ferromagnetic Semiconductor Heterostructure. Nature, 1999, 402:790-792, doi:10.1038/45509.
10. Ralph DC, Stiles MD. Spin transfer Torque. J. Magn. Magn. Mater., 2008, 320(7):1190-1216.
11. Wunderlich J, Park B-G, Irvine AC et al. Spin hall effect transistor. Science, 2010, 330(6012):1801-1804.
12. Felser C, Fecher GH, Balke B. Spintronics: A challenge for materials science and solid-state chemistry. Angewandte Chemie International Edition, 2007, 46(5):668-699.
13. Awschalom DD, Flatte ME. Challenges for semiconductor spintronics. Nature Physics, 2007, 3(3):153-159.
14. Han W Kawakami RK, Gmitra M et al. Graphene spintronics. NatureNanotechnology, 2014, 9(10):794-807.
15. Drogeler M, Franzen C, Volmer F et al. Spin lifetimes exceeding 12 ns in graphene nonlocal spin valve devices. Nano Lett, 2016, 16(6):3533-3539, http://arxiv.org/pdf/1602.02725.pdf.
16. Bea H, Gajek M, Bibes M et al. Spintronics with multiferroics. Journal of Physics Condensed Matter,
СПИНТРОНИКА
2008, 20(43):434221. 111(5):054307.
17. ПятаковАП,ЗвездинАК. Магнитоэлектрические 24. Hellman F, Hoffmann A, Tserkovnyak Y, Beach материалы и мультиферроики. УФН, 2012, GSD, Fullerton EE, Leighton C, MacDonald AH, 182(6):593-620. Ralph DC, Arena DA, Dürr HA, Fischer P, Grollier
18. Бухараев АА, Звездин АК, Пятаков АП, J, Heremans JP, Jungwirth T, Kimel AV, Koopmans Фетисов ЮК. Стрейнтроника — новое B, Krivorotov IN, May SJ, Petford-Long AK, направление микро-, наноэлектроники и науки Rondinelli JM, Samarth N, Schuller IK, Slavin AN, о материалах. УФН, 2018, 188(12):1288; DOI: Stiles MD, Tchernyshyov O, Thiaville A, Zink BL. 10.3367/UFNr.2018.01.038279. Interface-Induced Phenomena in Magnetism. Rev
19. Kirilyuk A, Kimel A, Rasing T. Ultrafast optical ModPhys., 2017, 89(2):025006. manipulation of magnetic order. Rev Mod Phys,
2010, 82(3):2731-2784.
20. Parkin S, Jiang X, Kaiser C et al. Magnetically
engineered spintronics sensors and memory. Фетисов Юрий Константинович
Proceedings of IEEE, 2003, 91(5):661-680. д.ф.-м.н, проф., академик РАЕН
21. Demidov VE, Urazhdin S, Ulrichs H et al. Magnetic МИРЭА-Российский технологический университет nano-oscillator driven by pure spin current. Nature 78, просп. Вернадского, Москва 119454, Россия Mater, 2012, 11(12):1028-1031. [email protected]
22. Огнев АВ, Самардак АС. Спинтроника: Сигов Александр Сергеевич
физические принципы, устройства, дф9проф., академик РАН и РАЕН
перспективы. Вестник ДВО РАН, 2006, 4:70-80. л/тт/птал п -
г , .... МИРЭА-Российский технологический университет
23. Khitun A. Multi-frequency magnonic logic circuits for parallel data processing. J. Appl. Phys, 2012,
78, просп. Вернадского, Москва 119454, Россия [email protected]
SPINTRONICS: PHYSICAL FOUNDATIONS AND DEVICES
Yuri K. Fetisov, Alexander S. Sigov
Russian Technological University-MIREA, https://www.mirea.ru Moscow 119454, Russian Federation [email protected], [email protected]
Abstract. "Spintronics" is one of the most rapidly developing branches of science and technology, which is currently considered as the most promising technology for the further development of the elemental base for information technology. Spintronics includes physical effects caused by the spins of individual electrons and spin-polarized currents flowing in thin magnetic and semiconductor films and heterostructures, and information processing devices based on them. The review provides qualitative estimates demonstrating potential advantages of spintronics in comparison with semiconductor micro- and nanoelectronics. Physical phenomena that form the scientific basis of spintronics, such as domain microstructures, skyrmions, spin waves, spin-polarized current, giant and tunnel magnetoresistance, spin transfer of angular momentum are considered. Prospective spintronics materials, including ferromagnetic metals and semiconductors, semimetal ferromagnetic oxides, Heusler alloys are listed. The possibilities of controlling spin currents using magnetic fields, mechanical deformations in multiferroic structures, and ultrashort optical pulses are shown. The spintronic devices that are under development or already made are described, such as high-sensitivity magnetic field sensors, random access magnetic memory elements, ultra-high frequency nanogenerators, spin diodes and spin transistors, and a spin holographic processor. The final part lists the main research centers for spintronics abroad and in Russia, and provides a list of overview publications on the topic.
Keywords: spintronics, magnetic heterostructures, spin-polarized current, spin waves, skyrmion, magnetoresistance, tunnel effect, magnetic field sensors, spin transistor, spin generator, spin processor PACS 67.57.Lm, 72.25.Ba, 75.70.-i, 75.76.+j
Bibliography - 24 references Received 19 March 2018; accepted 21 May 2018 RENSIT, 2018, 10(3):343-356_DOI: 10.17725/rensit.2018.10.343
