Spintroonika

Spintroonika (ka spinntroonika) ehk spinnelektroonika on teadusharu, mis uurib elektronide elektrilaenguid, spinne ja nendega seotud magnetmomente. Avastatud omadusi loodetakse kasutada tahkistel põhinevates elektroonikaseadmetes. Spintroonika erineb vanemast magnetelektroonikast selle poolest, et spinnidega manipuleeritakse nii magnet- kui ka elektriväljades. Spintroonika sai alguse 1980. aastatel 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. Enne seda, 1970. aastatel, uurisid Meservey ja Tedrow spintroonilisi efekte ferromagnetites ning ülijuhtides aset leidvat tunnelleerumist, lisaks katsetas Juliere magnettunnelristmikega. Pooljuhtide kasutuselevõtt spintroonikas algas elektrilise dipooli spinnresonantsi uuringutega 1960. aastatel Rashba poolt ning 1990. aastal Datta ja Dasi tehtud teoreetilise ettepanekuga ehitada spinni kasutav väljatransistor. Elektroni spinn on elektronisisene impulsimoment, mis eristub elektroni orbitaalsest impulsimomendist. Spinni projektsioon mööda suvaliselt valitud telge on 1 2 ℏ {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\hbar } , 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 μ = 3 2 q m e ℏ {\displaystyle \mu ={\tfrac {\sqrt {3}}{2}}{\frac {q}{m_{e}}}\hbar } . 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 ka "alla" olekus, millest tulenevalt pole materjali omadused spinnide orienteeritusest sõltuvad. Spintroonikaseade 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  P X = X ↑ − X ↓ X ↑ + X ↓ {\displaystyle P_{X}={\frac {X_{\uparrow }-X_{\downarrow }}{X_{\uparrow }+X_{\downarrow }}}} Koguspinnile kindla oleku andmine on saavutatav, kui jaotada kogu energia "üles" ja "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  τ {\displaystyle \tau } . Pooljuhis on spinni difundeerumise pikkus {\displaystyle } λ {\displaystyle \lambda }  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 spintroonikas, näiteks magnetresonantsi, spinni eluiga ja kadudeta spinnvoole. Lihtsaim meetod spinnpolariseeritud voolu tekitamiseks metallis on lasta elektrivoolu läbi kihilise ferromagnetilise materjali. Kõige tavalisem selle meetodi kasutusviis on hiiglasliku magnettakistuse seadmetes (Giant Magnetorresistance, GMR). Tavaline GMR seade koosneb vähemalt kahest ferromagneetiku kihist, mis on omavahel eraldatud dielektrikukihiga. Kui mõlemas kihis summaarsed magnetvektorid on samasihilised, siis elektriline takistus on suhteliselt väike (suurem vool püsib konstantse pinge juures) võrreldes olukorraga, kus ferromagneetikute magnetvektorid ei ole samasihilised. Seletada võib seda lühidalt sellega, et kummastki samasuunaliselt orienteerunud spinnidega magnetkihist pääseb läbi elektrivool, mille kandjaks on vastassuunalise spinniga elektronide koguvoog. Need kanduvad läbi materjali juhtivusstsooni, sest ühel diskreetsel energianivool võivad "voolata" kaks vastassuunalise spinniga fermioni, s.t elektroni. Kihilise struktuuri kogujuhtivus on sel juhul suhteliselt kõrge ehk elektritakistus väike. Kui kaks üksteise peale sadestatud magnetkihti on aga polariseeritud vastassuundades, siis ei pääse läbi esimese kihi endiselt need elektronid, mille spinnid on samasuunalised kihi koguspinniga, ja läbi teise kihi lisaks need elektronid, mille spinnid olid küll vastassuunas esimese kihi koguspinniga, aga edasi samas suunas teise kihi juhtivusstsooni elektronide spinnidega. Kuna kahte samasugust fermioni ühel energianivool eksisteerida ei saa, siis kihi takistus tõuseb märgatavalt, kui kihi ühes või teises komponendis on eelpolarisatsioon, mis blokeerib poole spinnpolariseeritud elektrivoolu materjalist läbiminekust. Nii saab luua näiteks erinevaid magnetsensoreid.  Erinevates seadmetes on kasutusele võetud kahte tüüpi GMR rakendusi: esiteks pindvoolu rakendused (CIP, current-in-plane), kus elektrivool voolab paralleelselt kihtidele, ning teiseks ristvoolurakendused (CPP, current-perpendicular-to-plane), kus elektrivool voolab kihtidega risti. Muud metallidel põhinevad spintroonika seadmed töötavad, kasutades järgmisi tahkisfüüsikalisi nähtusi: tunnelleerumisest tingitud magnettakistus, kus CPP transport saavutatakse elektronide tunnelleerumisel läbi ferromagneetikuid eraldava dielektrikukihi; spinnimomendi ülekanne, kus kasutatakse polariseeritud spinniga elektronide voogu, et kontrollida seadme elektroodide magnetiseerituse suunda; spinnlainel põhinevad loogikaseadmed, milles informatsiooni kannab laine faas. Laine interferentsi ja hajumist uurides saab läbi viia loogikaoperatsioone. Suuremahuliste arvutuste võimaldamiseks uuritakse 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. 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. Dopeeritud pooljuhtmaterjalides avalduvad pehmed ferromagnetilised omadused. Viimastel aastatel on lähemalt uuritud pehmelt magneetuvaid dopeeritud magnetilisi metallioksiide (Diluted Magnetic Oxides, DMO), sealhulgas tsinkoksiidil (ZnO) ning titaanoksiidil (TiO2) põhinevaid ühendid.  Spinni tuvastamiseks pooljuhtides on kasutusel mitmeid meetodeid: Faraday või Kerri pööre edastatud või peegeldatud footonitele; elektroluminestsentsi käigus eralduva valguse analüüs ringpolarisatsiooni abil; spinnventiil (kohandatud versioon Johnsoni ja Silsbee tööst metallidega); ballistiline spinni filtreerimine. Viimast meetodit kasutati ületamaks spinni-orbitaalse vastastikmõju nõrkusest tingitud probleeme ning materjalides tekkinud vajadust tekitada eelistatud koguspinniga elektronide transport ränis. Välised magnetväljad ja juhuslikud väljad magnetkontaktidest võivad põhjustada suurt Hall'i mõju ning magnettakistust pooljuhtides, mis matkivad spinnventiili toimimist. Ainuke tõestus kindla spinniga elektronide liikumisest pooljuhis on spinni pretsessiooni ja selle magnetväljas toimuva hajumise demonstratsioon, kui spinni orientatsioon ei kattu välja omaga. Seda nähtust nimetatakse Hanle mõjuks. Rakendamaks spinnpolariseeritud elektrilist siiret, on tulnud vähendada signaali ümberlülitamiseks vajalikku voolutugevust ning luua koherentse, kontrollitava ringpolariseeritud valguse väljund. Näiteks pooljuhtlaserite tulevased rakendused võivad sisaldada spinni kasutavaid transistore, mille eeliseks tavalisi pooljuhtväljatransistore (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) kasutavate seadmete ees on kõrgem kriitiliste lekkevoolude piir. Magnet-tunneltransistoril (MTT), millel on üks baaskiht, on järgmised viigud: emitter: sellest injekteeritakse polariseeritud spinnidega kuumad elektronid transistori baasi; baas: spinnist ja selle pretsessioonist sõltuv hajumine toimub baasil, samuti täidab baas spinnide sorteerimise ülesannet; kollektor (GalliumArseniidist): liitekohas on moodustatud Schottky barjäär pooljuht kollektori ja metallist paisuelektroni vahele. Seetõttu kogutakse ainult elektronid, millel on piisavalt energiat, et ületada Schottky barjäär, ja kui pooljuhis on vastavalt vastassuunaliste spinnidega olekud vabad. Kui magnetovool (Magnetocurrent, MC) on toodud järgmiselt: M C = I c , p − I c , a p I c , a p {\displaystyle MC={\frac {I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}}} ja ülekande suhe (Transfer Ratio, TR) on T R = I C I E {\displaystyle TR={\frac {I_{C}}{I_{E}}}} , siis MTT lubab teoreetiliselt luua väga usaldusväärset polariseeritud spinnidega elektronide allikat toatemperatuuril. Antiferromagnetilisi andmekandjaid on uuritud alternatiivina ferromagnetilistele eriti seetõttu, et antiferromagnetilises materjalis on bitte võimalik säilitada sama hästi kui ferromagnetilises materjalis. Selle asemel, et kasutada tavalist määratlust 0-> "magnetvektor ülespoole", 1 -> "magnetvektor allapoole", võivad olekud olla 0 -> "vertikaalselt vahelduv spinni olek" ja 1 -> "horisontaalselt vahelduv spinni olek". Antiferromagnetilise materjali peamised eelised on tundetus suvaliste ehk nn "eksinud" väljade mõjutustele, palju lühemad lülitamise ajad, ei mõjuta lähedal asuvaid osakesi. Elektrilise dipooli spinntakistus Magnonics Rashba mõju Spinni pumpamine Spinni ülekanne Wolf, S. A.; Chtchelkanova, A. Y.; Treger, D. M. (2006). Spintronics—A retrospective and perspective Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future. 4.november 2016 Johnson, M.; Silsbee, R. H. (1985). Interfacial charge-spin coupling; injection and detect magnetization in metals. Phys. Rev. Lett. 55, 1790 Baibich, M. N.; Broto, J. M.; Fert, A.; Nguyen Van Dau, F. N.; Petroff, F.; Etienne, P.; Creuzet, G.; Friederich, A.; Chazelas, J. (1988). Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 Binasch, G.; Grünberg, P.; Saurenbach, F.; Zinn, W. (1989). Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange, Phys. Rev. B 39, 4828 Julliere, M. (1975). Tunneling between ferromagnetic films, Physics Letters A, Volume 54, Issue 3, 8 September 1975, Pages 225–226 E. I. Rashba, Cyclotron and combined resonances in a perpendicular field, Sov. Datta, S. & Das, B. (1990). Electronic analog of the electro‐optic modulator, Appl. Phys. Lett. 56, 665 Linder, Jacob; Robinson, Jason W. A. (2 April 2015). Superconducting spintronics, Nature Physics 11,307–315 M. Eschrig, "Spin-polarized supercurrents for spintronics" Physics Today 64(1), 43 (2011) International Technology Roadmap for Semiconductors Behin-Aein, B.; Datta, D.; Salahuddin, S.; Datta, S. (2010). Proposal for an all-spin logic device with built-in memory, Nature nanotechnology 5 (4), 266–270 Manipatruni, Sasikanth; Nikonov, Dmitri E. and Young, Ian A. (2011) [1112.2746] Circuit Theory for SPICE of Spintronic Integrated Circuits. Crocus Partners With Starchip To Develop System-On-Chip Solutions Based on Magnetic-Logic-Unit™ (MLU) Technology. crocus-technology.com. 8. detsember 2011 Groundbreaking New Technology for Improving the Reliability of Spintronics Logic Integrated Circuits. Everspin Archived 30. juuni 2012 Wayback Machine'i juures. Hoberman, Barry. The Emergence of Practical MRAM (PDF). Crocus Technology. Retrieved 2012-12-23. LaPedus, Mark (18 June 2009) Tower invests in Crocus, tips MRAM foundry deal. eetimes.com [1] Masamitsu Hayashi et al. (April 2008). [2]"Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register". Science. 320 (5873): 209–211. doi:10.1126/science.1154587. Walser, M.; Reichl, C.; Wegscheider, W. & Salis, G. (2012). Direct Mapping of the Formation of a Persistent Spin Helix, Nature Physics 8, 757 Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H (2013). Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO2 polymorphs, Journal of Applied Physics 113 (23), 233913 Ogale, S.B (2010). Dilute doping, Defects and Ferromagnetism in Metal Oxide Systems, Mater. (Invited Review) 22, 3125–3155 Kikkawa, J.; Awschalom, D. (1998). Giant magnetoresistance and quantum phase transitions in strongly localized magnetic two-dimensional electron gases, Phys. Rev. B, 58, 4238(R) Jonker, Berend T. Polarized optical emission due to decay or recombination of spin-polarized injected carriers – US Patent 5874749 Archived 12. detsember 2009 Wayback Machine'l. Lou, X.; Adelmann, C.; Crooker, S. A.; Garlid, E. S.; Zhang, J.; Reddy, K. S. M.; Flexner, S. D.; Palmstrøm, C. J.; Crowell, P. A. (2007). Electrical Detection of Spin Transport in Lateral Ferromagnet-Semiconductor Devices, Nature Physics 3, 197 Appelbaum, I.; Huang, B.; Monsma, D. J. (2007). Electronic measurement and control of spin transport in silicon, Nature 17;447(7142):295-8. I Žutić, J Fabian(2006), Spin injection and detection in silicon, Physical review letters 97 (2), 026602 Ballistic spin filtering across the ferromagnetic-semiconductor interface, Y.H. Li, 2011 Holub, M.; Shin, J.; Saha, D.; Bhattacharya, P. (2007). Electrical Spin Injection and Threshold Reduction in a Semiconductor Laser, Phys. Rev. Lett. 98, 146603 Van Dijken, S.; Jiang, X.; Parkin, S. S. P. (2002). 'Room temperature operation of a high output current magnetic tunnel transistor. Applied Physics Letters, vol 80, no. 18, pp. 3364–3366. See, e.g.: Jungwirth, T., announcement of a colloqium talk at the physics faculty of a bavarian university, 28. aprill 2014: Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets. [3] This corresponds mathematically to the transition from the rotation group SO(3) to its relativistic covering, the "double group" SU(2)