Spintroonika

Spintroonika ehk spinntroonika ehk spinnelektroonika on teadusharu, mis uurib elektroni elektrilaengut, elektroni spinni ja sellega seonduvat magnetmomenti. Avastatud omadusi loodetakse kasutada tahkistel põhinevates elektroonikaseadmetes.
Spinntroonika erineb vanemast magnetelektroonikast selle poolest, et spinnidega manipuleeritakse nii magnet- kui elektriväljades.

Ajalugu

Spinntroonika sai alguse 1980ndatel tahkiselektroonikaseadmetes spinnist oleneva elektronide liikumise nähtuste uurimisel. Märkimist väärib Johnsoni ja Slisbee (1985) töö spinn-polariseeritud elektronide injektsiooni jälgimisel ferromagnetilisest metallist normaalsesse metalli. 1988. aastal avastasid Albert Fert ja Peter Grünberg teineteisest sõltumatult hiiglasliku magnettakistuse. Eelnevalt uurisid Meservey ja Tedrow 1970ndatel spinntroonilisi efekte ferromagnetites ning ülijuhtides aset leidvat tunnelleerumist, lisaks katsetas Juliere magnettunnelristmikutega. Pooljuhtide kasutuselevõtt spinntroonikas algas elektrilise dipooli spinnresonantsi uuringutega 1960ndatel Rashba poolt ning 1990. aastal Datta ja Dasi tehtud teoreetilise ettepanekuga ehitada spinni kasutav väljatransistor.

Teooria

Elektroni spinn on elektronisisene impulsimoment, mis eristub elektroni orbitaalsest impulsimomendist. Spinni projektsioon mööda suvaliselt valitud telge on , mis tähendab, et elektron käitub vastavalt Fermi-Diraci statistikale nagu ka fermionid. Lisaks orbitaalsele impulsimomendile on ka spinn seotud magnetmomendiga, mille projektsiooni on kirjeldatud kui
.
Tahkises võivad mitmete elektronide spinnid interakteerudes ja/või välises väljas koos käitudes muuta materjali elektrilisi või magnetilisi omadusi, näiteks andes neile jääva magnetmomendi ning niiviisi tekitades ferromagnetilisi materjale.
Mitmetes materjalides on elektronide spinnid võrdselt nii "üles" kui "alla" olekus, millest tulenevalt pole materjali omadused spinnide orienteeritusest sõltuvad. Spinntroonikaseade vajab mingis eelissuunas polariseeritud spinnidega elektronide populatsiooni genereerimist või olemasoleva elektronide pilvega manipuleerimist, et tekiks liiaga kas "üles" või "alla" suunatud spinniga elektrone ehk koguspinni omav elektronide kogum. Iga spinnist sõltuva materjali X polarisatsioon on kirjeldatud kui 
Koguspinnile kindla oleku andmine on saavutatav, kui jaotada kogu energia "üles" ning "alla" suunatud spinnidega elektronide vahel, mille juures peaks saavutama energeetilise tasakaaluasendi. Vastavad meetodid hõlmavad materjali mõjutamist tugevas magnetväljas (Zeemani efekt), ferromagneetiku vahetusenergia abil polarisatsiooni muutmist ja süsteemi tasakaaluasendist väljaviimist. Ajavahemik, mille jooksul mingi kindla koguspinniga olekut on võimalik hoida, on tuntud kui spinni eluiga .
Pooljuhis on spinni difundeerumise pikkus  defineeritud kui teepikkus materjalis, läbi mille suudab kindla koguspinniga elektronpilv polarisatsiooni säilitades levida. Metallides leiduvate juhtivate elektronide spinnide eluiga on suhteliselt lühike (alla 1 ns). Terve uurimisvaldkond on pühendatud selle eluea pikendamisele materjalides ajavahemikeni, mis võimaldaksid tehnoloogiliselt kasulike materjalide arendustööd.
Koguspinn võib "hajuda" ehk materjalis kaduda peamiselt kahel erineval põhjusel. Orienteeritus võib muutuda tahkistes, mis ei suuda seda koguspinni säilitada, mistõttu võib injekteeritud elektronivoo koguspinni "ühtepidi" suunatud olek muutuda eelisorientatsioonita olekuks. Spinni defaseerumiseks võib nimetada protsessi, kus polariseeritud elektronide pilv muutub üksikute elektronide spinnide individuaalsete pretsessioonide tõttu vähem polariseerituks. Kinnistes ehk piiratud dimensioonidega kontuurides saab spinni defaseerumist aeglustada ning seeläbi madalatel temperatuuridel tõsta koguspinni eluiga näiteks pooljuhtide kvanttäppides millisekunditeni.
Ülijuhid võivad võimendada keskseid efekte spinntroonikas, näiteks magnetresonantsi, spinni eluiga ja kadudeta spinnvoole.

Spinntrooniline loogikaseade

Suuremahuliste arvutuste võimaldamiseks uuritakse aktiivselt spinnloogikaseadmeid ja võimalusi ehitada nende baasil arvutimälusid. Välja on pakutud ideid spinnedastusel põhinevate loogikaseadmete konstrueerimiseks. Need seadmed kuuluvad "Rahvusvahelise pooljuhttehnoloogia teekaardi" ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) arenguplaani. Magnetmälude rakendusviisid loogikalülitustes on juba arendusjärgus.

Rakendused

Kõvaketaste lugemispead põhinevad gigantse magnetotakistuse (GMR) ja magnetotunneltakistuse (Tunnel magnetoresistance, TMR) nähtustel.
Motorola arendas välja esimese põlvkonna 256 kB magnettakistava muutmälu (Magnetic Random Access Memory, MRAM), kasutades ühes mälurakus ühte magnettunnelristmikku ja ühte transistorit, millel oli kirjutamis- ja lugemistsükli pikkus alla 50 nanosekundi. Everspin Technologies on sellest alates arendanud välja 4 MB versiooni. Kaks teise põlvkonna MRAMi lahendust on praegu arendustöös: termoreguleeritud lülitamine (Temperature Assisted Switching, TAS) ja spinni "väändlülituslikul" ülekandel (Spin Transfer Torque, STT) põhinevad tunnelsiirded.
 Veel ühe alternatiivse disainina on võimalik kasutada ära niinimetatud domeeniseinamälu, mis kodeerib informatsiooni magnetvektori suunas ferromagnetilises traadis tekkivate domeenide seinte vahel.
2012. aastal suudeti elektronide sünkroonitud spinne säilitada kauem kui nanosekundiks, millega ületati varasemad saavutused kolmekümnekordselt, see ajavahemik on samuti pikem kui tänapäevase protsessori töötsükli takti pikkus.