Radosław Strzałka Seminarium z fizyki technicznej 09.12.2010 Elektronika spinowa Radosław Strzałka Seminarium z fizyki technicznej 09.12.2010

Plan prezentacji Wyzwania współczesnego świata Czym jest spintronika? - motywacja rozwoju nowych dróg w elektronice Czym jest spintronika? - w czym spin jest „lepszy” od ładunku - elektronika spinowa 3. Trochę historii… a raczej fizyki - gigantyczny magnetoopór (GMR) i jego odmiany Zawór spinowy, głowica GMR, tranzystor spinowy 5. Materiały przyszłości – półprzewodniki magnetyczne - czego szukać, co poprawić, żeby było dobrze.

TEZA Dążenie przemysłu informatycznego do miniaturyzacji i wymogi nanotechnologiczne wymuszają szukanie nowych rozwiązań w dziedzine elektroniki. Obiecującym i bodaj najbliższym realizacji jest elektronika spinowa.

Elektron to nie tylko e- Moment magnetyczny spinowy Oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym Magnetyzacja

Prąd spinowy Zadaniem spintroniki jest połączenie obu zjawisk i wykorzystanie w budowie nowych urządzeń elektronicznych

Spin lepszy od ładunku Zniszczenie stanu spinowego (odwrócenie spinu) wymaga dostarczenia energii (użycia pola magnetycznego) o określonej wartości progowej, ładunek elektryczny jest o wiele bardziej ulotny Magnetic Random Access Memory

Stary dobry spin - obecne zastosowania W starych dyskach głowica zapisu/odczytu była zwykłą cewką, a pole magnetyczne zmieniające namagnesowanie domen magnetycznych jest wytwarzane poprzez przepływ prądu Problem: Malejące komórki pamięci pociągają za sobą zmniejszenie rozmiarów głowicy, co znacząco obniża jej czułość

Anizotropowy magnetoopór (AMR) Efekt magnetooporu Tor poruszającego się w polu magnetycznym zakrzywia się, a więc ulega wydłużeniu, dlatego prąd przepływający przez przewodnik maleje przy zadanym napięciu (opór rośnie) Mówiąc „mądrzej: oporność właściwa metali i półprzewodników jest tensorem zależnym od pola magnetycznego. Anizotropowy magnetoopór (AMR) Opór elektryczny zależy od kierunku namagnesowania ferromagnetyka, prawo Ohma można zapisać jako: Magnetoopór Permaloj

AMR HDD IBM wprowadza na rynek pierwszy twardy dysk oparty o technologię AMR w 1997 roku. Technologia została opracowana w 1991 roku. Pozwala to na zwiększenie gęstości zapisu do 3 Gb/cal.kw.

Gigantyczny magnetoopór (GMR) – prawdziwa rewolucja układ cienkich warstw w konfiguracji F-NF-F materiały przewodzące grubość warstw mniejsza niż średnia droga swobodna elektronu (dotyczy wielowarstw) odkrycie 1988 Gruenberg, Fert (NN 2007)

Fizyka GMR

Czas na zastosowanie - zawór spinowy (SV) Np. NiFe Cu Co FeMn

Głowica read-write GMR

Zalety zaworu spinowego Zależność rezystancji od wzajemnego położenia wektorów namagnesowania Antysymetryczna charakterystyka M(H) w zakresie małych pól Duża czułość magnetorezystancyjna Ważne, aby szerokość niemagnetycznej przekładki była odpowiednia – nie za mała i nie zbyt duża, aby efekt GMR mógł zajść

Pseudozawór spinowy Ferromagnetyk miękki łatwiej przemagnesować, Co ułatwia sterowanie zaworu i jeszcze czulsze pomiarymagnetorezystancji

AMR GMR Gęstość zapisu GMR HDD to 10 Gb/cal.kw.

Magnetorezystancja tunelowa (TMR) Magnetoopór rzędu kilkuset procent IBM wprowadza głowice TMR w 2005 roku. Dziś najlepszy dysk IBM ma gęstość zapisu 2,5 Tb/cal kw.

MRAM 1990 Datta & Das READ WRITE

MRAM tryby pracy Induced magnetic field (GMR efekt) Toggle mode (warstwy wielokrotne, „sztuczny antyferromagnetyk”) Spin-torque-transfer STT (użycie elektronów spolaryzowanych spinowo, proces odczytu i zapisu równorzędny) Thermal assisted switching TAS-MRAM Vertical transport VMRAM

MRAM zalety i wady Problem: Praktycznie nieograniczony czas przechowywania informacji bez zasilania Praktycznie nieograniczona liczba cykli zapis/odczyt Duża szybkość działania – czas zapisu ok.. 30 ns (podobnie jak DRAM) Niezgodnosć z technologią CMOS Stosunkowo (jeszcze?) wysokie koszty produkcji Stosunkowo duże rozmiary podstawowej komórki pamięci Problem: Potrzeba „inteligentniejszych” metod sterowania namagnesowaniem

Wykorzystajmy spin „na maxa” – tranzystor spinowy Pytania o: 1. „samosterowanie” wielkością i kierunkiem namagnesowania 2. metody wstrzykiwania elektronów spinowo spolaryzowanych

Wstrzykiwanie nośników Pierwszy pomysł: złącze metalu ferromagnetyczny – niemegnetyczny półprzeowdnik Niedopasowanie pasm energetycznych prowadzi do b. małej efektywności procesu. Dodatkowo polaryzacja spinowa w części półprzewodnikowej szybko zanika (relaksacja). Pomysł drugi: Gdyby tak mieć półprzewodnik magnetyczny…

Półprzewodniki magnetyczne Najpowszechniejsze i najlepiej zbadane są dziś półprzewodniki DMS (rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne), np..: ale także półprzewodniki innych grup III-V, II-VI Problemy: Mangan jest domieszką apceptorową (tylko pp typu p) Niska temperatura Curie (x=0,035: 60K, x=0,053: 110K)

Temperatura Curie półprzewodników magnetycznych

Skonstruowanie półprzewodnika magnetycznego o odpowiednich parametrach jest wciąż wielkim wyzwaniem fizyków i inżynierów materiałowych

Prof. Tomasz Dietl - polski Nobel 2006 Laboratorium Kriogeniki i Spintroniki IF PAN, Katedra Fizyki Materii Skondensowanej IFT UW Postdoc: Ecole Polytechnique (Paris), Munich Technical University Visiting professor: Kepler Univ. (Linz), Fourier Univ. (Grenoble), Tohoku Univ. (Sendai), Paris Sud Univ. (Orsay) Autor i współautor ponad 350 publikacji, 10 000 cytowań Laureat: Nagroda Marii Skłodowskiej-Curie (1997), Nagroda Alexandra Humdoldta (2003), Agilent Technologies Europhysics Prize (2005), Nagroda Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (2006) Współpracuje z największymi ośrodkami badań półprzewodników magnetycznych (Tohoku, Paris Sud, Santa Barbara…), a jego polska grupa rywalizuje na równi z naukowcami Japonii i USA.

Podsumowanie Spin w dyskach twardych Efekt GMR – nowe głowice hdd Nieulotna pamięć RAM – spin nośnikiem pamięci Uwolnienie spinowego stopnia swobody – prąd spinowy w tranzystorze Materiały przyszłości – półprzewodniki magnetyczne Rola spinu w teorii kwantowej informacji – rewolucja architektur komputerowych

Podsumowanie Czy spintronika zastąpi elektronikę w przyszłości? Tranzystor spinowy jeszcze nie powstał, a konkurencja nie śpi… (bioinformatyka, elektronika polimerów…) Ogromne zainteresowanie nauki i przemysłu spintroniką i jej ogromne postępy dają podstawę sądzić, że jest najbliżej zastąpienia elektroniki krzemowej

Wszelkie materiały, z których korzystał autor prezentacji, dostępne są pod adresem: http://home.agh.edu.pl/~kozlow/fizyka/elektronika%20spinowa/