Спинтроника

Спинтроника (спиновая электроника) — область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов (электроника), в которых спин электрона наравне с его зарядом используется для получения, обработки и передачи информации.

Ферромагнитные гетероструктуры

К типичным системам, в которых возможны эффекты спинтроники, относятся, в частности, гетероструктуры ферромагнетик-парамагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

В таких гетероструктурах источником спин-поляризованных электронов (спин-инжектором) является проводящий ферромагнетик (проводник или полупроводник), обладающий в намагниченном состоянии спонтанной, спиновой упорядоченностью носителей заряда; в ферромагнитных полупроводниках достигаются уровни спиновой поляризации значительно более высокие (до 100 %), чем в металлах (до 10 %). Во внешнем магнитном поле возможно зеемановское расщепление зоны проводимости в полупроводнике с формированием двух зеемановских энергетических подуровней. При инжекции спин-поляризованных электронов в такой полупроводник возможны управляемые переходы как на верхний, так и на нижний уровень, что даёт, в, частности, возможность создания инверсии населённости и, соответственно, генерации когерентного электромагнитного излучения с управлением частоты магнитным полем.

Другие эффекты возникают в джозефсоновских переходах с изолирующим ферромагнетиком: в этом случае возможно управление туннелированием с помощью внешнего магнитного поля.

Также возможно использование структур на основе силицена

Применение

• Твердотельный аккумулятор без химических реакций, который переводит электрическую энергию в постоянное магнитное поле и обратно (то есть как бы намагничивает током постоянный магнит, а размагничивая его обратно, даёт ток — что раньше считалось невозможным на макроуровне без движущихся частей даже теоретически; однако никакого противоречия с теорией здесь нет, так как движущимися частями тока в аккумуляторе являются элементарные носители спин-поляризованного тока).
• Электронные компоненты:
  •  Компьютерная память типа STT-MRAM (Spin Torque Transfer MRAM), трековая память.
  • Спиновые транзисторы, представляющие собой слоистую структуру «ферромагнетик $({\text{Co}}_{84}{\text{Fe}}_{16})$ — кремний — ферромагнетик $({\text{Ni}}_{80}{\text{Fe}}_{20})$ — кремний с примесями». После прохождения первого ферромагнитного слоя электрический ток приобретает спин-поляризацию, которая частично сохраняется при движении через слой кремния (лучшее значение по состоянию на 2007 год — сохранение спиновой поляризации у 37 % электронов при температуре −73 °C и толщине слоя кремния до 350 мкм), что позволяет управлять значением спинового тока на выходе путём изменения ориентации магнитных полей двух слоёв ферромагнетика (см. Гигантское магнитное сопротивление) .
  • Логические схемы, потенциально обладающие, по сравнению с современными КМОП-схемами, более высоким быстродействием (время задержки сигнала менее 1 нс), более низким тепловыделением (тепловыделение вентиля 10⁻¹⁷ Дж) и не подверженные воздействию ионизирующих излучений.

См. также

• Магнитные полупроводники
• Магноника

Ссылки

• Спинтроника на «Компьютерре», 2005
• Спинтроника — словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов // Роснано
• Физики из МГУ превратили золото в магнит и сделали шаг к спинтронике // РИА Новости, 5 окт 2015
• Спинтроника в выпуске т/п «Чёрные дыры. Белые пятна» (выпуск за 12 декабрь 2020)
• Новый шаг к практической полупроводниковой спинтронике // Хайтек+, 11 апреля 2021

Литература

• Борисенко Виктор Евгеньевич, Данилюк Александр Леонидович, Мигас Дмитрий Борисович. Спинтроника : учебное пособие. — 2-е. — М.: «Лаборатория знаний», 2021. — 232 с. — ISBN 978-5-93208-558-5.
• Рязанов В. В. Джозефсоновский π-контакт сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник как элемент квантового бита. УФН, 1999. Т.169. № 8. С.920.
• Иванов В. А., Аминов Т. Г., Новоторцев В. М., Калинников В. Т. Спинтроника и спинтронные материалы. Изв. АН (Сер.хим.) № 11, 2004, С.2255-2303
• Воронов В.К., Подоплелов А.В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, М., ЛКИ, 2012, ISBN 978-5-382-01365-7

• Prinz G.A. Spin-polarized transport. Physics Today, 1995. Vol.48..№ 4. P.353.
• Maekawa S. (Ed) Concepts in Spin Electronics, 2006