Spintronics

Spintronik ( portmanteau dari spin transport electronics ), juga dikenal sebagai spin electronics , adalah studi tentang spin intrinsik elektron dan momen magnetik yang terkait dengannya , selain muatan elektronik fundamentalnya , dalam perangkat solid-state.  Bidang spintronik menyangkut kopling spin-muatan dalam sistem logam; efek analog dalam isolator termasuk dalam bidang multiferroik .

Spintronik secara fundamental berbeda dari elektronika tradisional karena, selain status muatan, spin elektron digunakan sebagai derajat kebebasan lebih lanjut, yang berimplikasi pada efisiensi penyimpanan dan transfer data. Sistem spintronik paling sering diwujudkan dalam semikonduktor magnetik encer (DMS) dan paduan Heusler , serta menjadi perhatian khusus dalam bidang komputasi kuantum dan komputasi neuromorfik .

 Sejarah 
Spintronika muncul dari penemuan-penemuan pada tahun 1980-an mengenai fenomena transpor elektron yang bergantung pada spin dalam perangkat solid-state. Ini termasuk pengamatan injeksi elektron terpolarisasi spin dari logam feromagnetik ke logam normal oleh Johnson dan Silsbee (1985)  dan penemuan magnetorresistansi raksasa secara independen oleh Albert Fert et al.  dan Peter Grünberg et al. (1988). Asal-usul spintronika dapat ditelusuri ke eksperimen penerowongan feromagnet/superkonduktor yang dipelopori oleh Meservey dan Tedrow dan eksperimen awal pada sambungan terowongan magnetik oleh Julliere pada tahun 1970-an. Penggunaan semikonduktor untuk spintronika dimulai dengan proposal teoretis transistor efek medan spin oleh Datta dan Das pada tahun 1990  dan resonansi spin dipol listrik oleh Rashba pada tahun 1960.

Pada tahun 2012, spin heliks elektron tersinkronisasi yang persisten berhasil dipertahankan selama lebih dari satu nanodetik, peningkatan 30 kali lipat dibandingkan upaya sebelumnya, dan lebih lama dari durasi siklus jam prosesor modern.

Pada tahun 2025, pada suhu 60 K (−213,2 °C; −351,7 °F), NiI2 kristal dilaporkan menunjukkan magnetisme gelombang-p, yang mana spin atom nikel tersusun dalam pola spiral dalam dua orientasi. Orientasi tersebut dapat diubah melalui arus listrik kecil. Jika diterapkan pada perangkat digital, perilaku spintronik ini membutuhkan arus yang jauh lebih sedikit dibandingkan elektronik berbasis muatan konvensional yang memberi daya pada perangkat seperti komputer dan telepon.

 Teori 
Teori utama spin
Spin elektron adalah momentum sudut intrinsik yang terpisah dari momentum sudut akibat gerak orbitalnya. Besarnya proyeksi spin elektron sepanjang sumbu sembarang adalah [   ], yang menyiratkan bahwa elektron bertindak sebagai fermion berdasarkan teorema spin-statistik . Seperti momentum sudut orbital, spin memiliki momen magnetik terkait , yang besarnya dinyatakan sebagai

 [  ]

Dalam benda padat, spin dari banyak elektron dapat bekerja sama untuk memengaruhi sifat magnetik dan elektronik suatu bahan, misalnya memberinya momen magnetik permanen seperti pada feromagnet .

Pada banyak material, spin elektron hadir secara seimbang baik dalam keadaan naik maupun turun, dan tidak ada sifat transpor yang bergantung pada spin. Perangkat spintronik memerlukan pembangkitan atau manipulasi populasi elektron yang terpolarisasi spin, sehingga menghasilkan elektron spin naik atau spin turun yang berlebih. Polarisasi setiap sifat yang bergantung pada spin X dapat dituliskan sebagai:

 [  ]

Polarisasi spin bersih dapat dicapai melalui penciptaan pemisahan energi kesetimbangan antara spin naik dan spin turun. Metode yang digunakan antara lain menempatkan material dalam medan magnet yang besar ( efek Zeeman ), energi pertukaran yang terdapat dalam feromagnet, atau memaksa sistem keluar dari kesetimbangan. Periode waktu di mana populasi non-kesetimbangan tersebut dapat dipertahankan dikenal sebagai masa hidup spin..

Pada konduktor difusif, panjang difusi spindapat didefinisikan sebagai jarak yang dapat ditempuh oleh populasi spin non-kesetimbangan. Waktu hidup spin elektron konduksi dalam logam relatif pendek (biasanya kurang dari 1 nanodetik). Area penelitian penting dikhususkan untuk memperluas waktu hidup ini ke skala waktu yang relevan secara teknologi.

Mekanisme peluruhan untuk populasi terpolarisasi spin dapat secara luas diklasifikasikan sebagai hamburan spin-flip dan defase spin. Hamburan spin-flip adalah proses di dalam padatan yang tidak melestarikan spin, dan oleh karena itu dapat mengubah keadaan spin naik yang masuk menjadi keadaan spin turun yang keluar. Defase spin adalah proses di mana populasi elektron dengan keadaan spin yang sama menjadi kurang terpolarisasi seiring waktu karena perbedaan laju presesi spin elektron . Dalam struktur terbatas, defase spin dapat ditekan, yang menghasilkan waktu hidup spin milidetik dalam titik kuantum semikonduktor pada suhu rendah.

Superkonduktor dapat meningkatkan efek sentral dalam spintronik seperti efek magnetorresistansi, waktu hidup spin dan arus spin tanpa disipasi.

Metode paling sederhana untuk menghasilkan arus terpolarisasi spin dalam logam adalah dengan mengalirkan arus melalui material feromagnetik . Aplikasi paling umum dari efek ini melibatkan perangkat magnetorresistansi raksasa (GMR). Perangkat GMR umumnya terdiri dari setidaknya dua lapisan material feromagnetik yang dipisahkan oleh lapisan pemisah. Ketika kedua vektor magnetisasi lapisan feromagnetik tersebut sejajar, resistansi listriknya akan lebih rendah (sehingga arus yang lebih tinggi mengalir pada tegangan konstan) dibandingkan jika lapisan feromagnetik tersebut anti-sejajar. Hal ini membentuk sensor medan magnet.

Dua varian GMR telah diterapkan pada perangkat: (1) arus dalam bidang (CIP), di mana arus listrik mengalir sejajar dengan lapisan dan (2) arus tegak lurus bidang (CPP), di mana arus listrik mengalir dalam arah tegak lurus terhadap lapisan.

Perangkat spintronik berbasis logam lainnya:

 Tunnel magnetorresistance (TMR), di mana pengangkutan CPP dicapai dengan menggunakan penerowongan elektron mekanika kuantum melalui isolator tipis yang memisahkan lapisan feromagnetik.
 Torsi spin-transfer , di mana arus elektron terpolarisasi spin digunakan untuk mengendalikan arah magnetisasi elektrode feromagnetik dalam perangkat.
 Perangkat logika spin-gelombang membawa informasi dalam fase. Interferensi dan hamburan spin-gelombang dapat menjalankan operasi logika.

 Jenis perangkat 

 Logika spintronik 
Perangkat logika spin non-volatil untuk memungkinkan penskalaan sedang dipelajari secara ekstensif.  Perangkat logika berbasis torsi dan transfer spin yang menggunakan spin dan magnet untuk pemrosesan informasi telah diusulkan.  Perangkat ini merupakan bagian dari peta jalan eksplorasi ITRS . Aplikasi logika dalam memori sudah dalam tahap pengembangan.  Artikel ulasan tahun 2017 dapat ditemukan di Materials Today .

Teori sirkuit umum untuk sirkuit terpadu spintronik telah diusulkan sehingga fisika transportasi spin dapat digunakan oleh pengembang SPICE dan selanjutnya oleh perancang sirkuit dan sistem untuk eksplorasi spintronik untuk "di luar komputasi CMOS".

 Semikonduktor 
Bahan semikonduktor terdoping menunjukkan feromagnetisme encer. Dalam beberapa tahun terakhir, oksida magnetik encer (DMO), termasuk DMO berbasis ZnO dan DMO berbasis TiO2 , telah menjadi subjek berbagai penelitian eksperimental dan komputasi.  Sumber semikonduktor feromagnetik non-oksida (seperti galium arsenida terdoping mangan (Ga,Mn)As ),  meningkatkan resistansi antarmuka dengan penghalang terowongan,  atau menggunakan injeksi elektron panas.

Deteksi spin dalam semikonduktor telah diatasi dengan beberapa teknik:

 Rotasi Faraday/Kerr dari foton yang ditransmisikan/dipantulkan 
 Analisis polarisasi melingkar dari elektroluminesensi 
 Katup putaran nonlokal (diadaptasi dari karya Johnson dan Silsbee dengan logam) 
 Penyaringan putaran balistik

Teknik terakhir digunakan untuk mengatasi kurangnya interaksi spin-orbit dan masalah material untuk mencapai transportasi spin dalam silikon.

Karena medan magnet eksternal (dan medan liar dari kontak magnet) dapat menyebabkan efek Hall yang besar dan magnetorresistansi dalam semikonduktor (yang meniru efek spin-valve ), satu-satunya bukti konklusif dari transpor spin dalam semikonduktor adalah demonstrasi presesi spin dan dephasing dalam medan magnet yang tidak kolinear dengan orientasi spin yang disuntikkan, yang disebut efek Hanle .

 Media penyimpanan 
Media penyimpanan antiferromagnetik telah dipelajari sebagai alternatif feromagnetisme , terutama karena dengan bahan antiferromagnetik bit dapat disimpan seperti halnya dengan bahan feromagnetik. Alih-alih definisi biasa 0 ↔ 'magnetisasi ke atas', 1 ↔ 'magnetisasi ke bawah', keadaannya dapat berupa, misalnya, 0 ↔ 'konfigurasi spin bergantian vertikal' dan 1 ↔ 'konfigurasi spin bergantian horizontal'. [  .

Keuntungan utama bahan antiferromagnetik adalah:

 ketidakpekaan terhadap gangguan yang merusak data oleh medan liar karena magnetisasi eksternal bersih nol; 
 tidak ada efek pada partikel di dekatnya, yang berarti bahwa elemen perangkat antiferromagnetik tidak akan mengganggu elemen tetangganya secara magnetis; 
 waktu pengalihan yang jauh lebih singkat (frekuensi resonansi antiferromagnetik berada dalam kisaran THz dibandingkan dengan frekuensi resonansi feromagnetik GHz); 
 berbagai macam bahan antiferromagnetik yang umum tersedia termasuk isolator, semikonduktor, semimetal, logam, dan superkonduktor.

Penelitian sedang dilakukan untuk mengetahui cara membaca dan menulis informasi ke spintronik antiferromagnetik karena magnetisasi nol bersihnya menyulitkan hal ini dibandingkan dengan spintronik feromagnetik konvensional. Dalam MRAM modern, deteksi dan manipulasi tatanan feromagnetik oleh medan magnet sebagian besar telah ditinggalkan demi pembacaan dan penulisan yang lebih efisien dan terukur oleh arus listrik. Metode pembacaan dan penulisan informasi dengan arus, alih-alih medan, juga sedang diselidiki dalam antiferromagnet karena medan pada dasarnya tidak efektif. Metode penulisan yang saat ini sedang diselidiki dalam antiferromagnet adalah melalui torsi spin-transfer dan torsi spin-orbit dari efek Hall spin dan efek Rashba . Membaca informasi dalam antiferromagnet melalui efek magnetorresistansi seperti magnetorresistansi terowongan juga sedang dieksplorasi.

 Aplikasi 

 MRAM 
Kepala baca hard drive magnetik didasarkan pada efek GMR atau TMR.

Motorola mengembangkan memori akses acak magnetoresistif (MRAM) generasi pertama 256  kb berdasarkan sambungan terowongan magnetik tunggal dan transistor tunggal yang memiliki siklus baca/tulis di bawah 50 nanodetik.  Everspin sejak itu mengembangkan versi 4  Mb. Dua teknik MRAM generasi kedua sedang dalam pengembangan: peralihan berbantuan termal (TAS)  dan torsi transfer spin (STT).

 Memori lintasan balap 
Desain lain, memori lintasan balap , arsitektur memori baru yang diusulkan oleh Dr. Stuart SP Parkin, mengkodekan informasi dalam arah magnetisasi antara dinding domain kawat feromagnetik.

 Laser semikonduktor 
Aplikasi yang menggunakan injeksi listrik terpolarisasi spin telah menunjukkan pengurangan arus ambang batas dan keluaran cahaya koheren terpolarisasi sirkuler yang terkendali. Contohnya termasuk laser semikonduktor. Aplikasi di masa mendatang mungkin mencakup transistor berbasis spin yang memiliki keunggulan dibandingkan perangkat MOSFET, seperti kemiringan sub-ambang batas yang lebih curam.

 Transistor terowongan magnetik 
Transistor terowongan magnetik dengan lapisan basis tunggal  memiliki terminal berikut:

 Emitor (FM1): Menyuntikkan elektron panas terpolarisasi spin ke basis.
 Basis (FM2): Hamburan yang bergantung pada spin terjadi di basis. Ini juga berfungsi sebagai filter spin.
 Kolektor (GaAs): Penghalang Schottky terbentuk di antarmuka. Penghalang ini hanya mengumpulkan elektron yang memiliki energi cukup untuk menembus penghalang Schottky, dan ketika keadaan tersedia dalam semikonduktor.

 Referensi