Эффект переноса спина в спинтронике
Какие существуют альтернативные способы управления намагниченностью? Какие наноэлектронные приборы основаны на эффекте переноса спина? Как можно решить проблему недостаточной мощности генератора СВЧ-излучения? На эти и другие вопросы отвечает кандидат физико-математических наук Константин Звездин.
Спинтроника — это достаточно новая область наноэлектроники. Функционирование спинтронных приборов основано на одновременном использовании как спина электрона, так и его заряда, в то время как традиционная электроника заключается в использовании только заряда электрона.
Почему это важно, почему люди сейчас этим активно занимаются? Это связано с проблемами, с которыми сталкивается традиционная наноэлектроника с точки зрения дальнейшей миниатюризации электронных устройств. Сейчас технология подошла к тому, что научились делать транзисторы с характерным размером 22 нанометра. Но дальнейшее уменьшение размеров литографии ведет к большому количеству проблем. Одна из основных проблем связана с очень высоким энергопотреблением.
И здесь спинтроника видится как один из способов решить эти технологические проблемы. Это то, что касается технологической мотивации исследований. Естественно, за этим стоит и большая наука. С очень давних времен известен способ управления намагниченностью с помощью внешнего магнитного поля, которое можно генерировать, просто пропуская электрический ток через проводник. Это известно уже сотни лет. Но что касается технологической реализации, то это достаточно сложно реализовать в плотноупакованных массивах. Люди умеют это делать, но это энергозатратно, дорого и сложно.
Поэтому сейчас на первый план выходят альтернативные способы управления намагниченностью. Один из таких способов, который, может быть, наиболее в фокусе в настоящее время, — это эффект переноса спина. То есть это прямое действие электрического тока на намагниченность в ферромагнитном образце. В чем это заключается? Ток инжектируется из одного ферромагнетика, проходит через немагнитную прослойку и попадает в другой ферромагнитный материал, намагниченность которого неколлинеарна намагниченности первого слоя, из которого электроны выходят. Ток в ферромагнетике является поляризованным по спину. Соответственно, электрон, выходя из ферромагнетика, поляризуется по спину, попадает в другой ферромагнетик, проходя через немагнитную прослойку, и он несет с собой момент количества движения, который передается принимающему слою. И если объем намагниченности принимающего слоя достаточно небольшой, то, оказывается, таким образом можно эффективно управлять намагниченностью. Это было предсказано в конце 1980-х годов прошлого века, через несколько лет физиками Слончевским и Берже и затем нашим бывшим соотечественником Максимом Цоем этот эффект был показан экспериментально.
И уже через несколько лет было предложено большое количество наноэлектронных приборов, основанных на этом новом эффекте. Например, это широко известная магнитная оперативная память. То есть это оперативная память, информация в которой хранится в форме ориентаций намагниченности. И управляется она именно таким эффектом. Это один из приборов. Сейчас он переходит уже из стадии научных исследований в стадию коммерциализации. Например, один из крупнейших проектов Роснано как раз связан со строительством фабрики в Москве по производству именно такой магнитной памяти.
Есть и другие приборы. Есть целое семейство микроволновых устройств — это генераторы и детекторы микроволнового излучения. Выясняется, что можно создать такую спинтронную структуру, которая представляет собой некий наностолбик, состоящий из чередующихся немагнитных и магнитных слоев. Электрический ток пронизывает вертикально эту структуру, проходит вертикально. И можно создать условия, при которых один из слоев намагничен постоянно, то есть намагниченность в нем фиксирована, а намагниченность другого слоя, так называемого свободного слоя, начинает осциллировать с гигагерцовой частотой и с достаточно хорошими спектральными характеристиками. И благодаря этому эффекту, а также, может быть, более известному эффекту гигантского магнетосопротивления, заключающемуся в том, что сопротивление такой структуры зависит от взаимной ориентации намагниченности в слоях, можно, подавая на такую структуру постоянный ток, на выходе получать осциллирующий электрический сигнал. То есть мы имеем фактически генератор микроволнового излучения.
Это было экспериментально показано также нашим бывшим соотечественником Киселевым в середине 2000-х годов, были работы в журнале Nature на эту тему.
Изначально был большой бум, люди бросились в эту тему с идеей сделать прибор — генератор СВЧ-излучения.
Но быстро выяснилось, что основная проблема такого устройства заключается в том, что излучаемая мощность достаточно скромная. У приборов первого поколения мощность была пиковатты, в то время как для реальных приложений требуемая мощность необходима была нановаттная. Пытались эту проблему, естественно, решить. Для этого использовали так называемые магнитные туннельные структуры. То есть если в первом поколении приборов, основанных на эффекте гигантского магнетосопротивления, немагнитные слои представляли собой немагнитные проводники, то во втором поколении приборов, основанных на туннельном эффекте, соответственно, были диэлектрики. У них эффект магнетосопротивления на порядки больше, чем эффект гигантского магнетосопротивления.
И, действительно, в таких устройствах получалось демонстрировать нановаттную мощность, но, к сожалению, это сопровождалось резким уширением спектральной линии. То есть резонансный пик резко уширялся. Это было связано с тем, что туннельный ток через такую прослойку оказывался пространственно очень неоднородным, что приводило к очень неоднородному процессу перемагничивания в свободном магнитном наностолбике, нанослое. И в результате этого спектр уширялся.
И на некоторое время люди решили, что это тупиковая технология и к прибору прийти не удастся. Но тут пришли к идее использовать такой интересный магнитный объект, как магнитный вихрь. Что такое магнитный вихрь? Это структура намагниченности, которая реализуется в магнитных пленках, энергетически выгодная при некотором характерном размере этой пленки. Фактически это некая промежуточная структура между однодоменным состоянием и многодоменным состоянием.
Магнитный вихрь — это закрученная по часовой или против часовой стрелки намагниченность, лежащая в плоскости столбика или цилиндра, и только небольшая область в центре этого магнитного вихря выходит из плоскости. Опять же, она может быть направлена или вверх, или вниз. У вихрей много интересных свойств. Но одно из таких важных с точки зрения темы нашего разговора свойств — это то, что под действием поляризованного по спину тока, который инжектируется опять же вертикально, перпендикулярно плоскости, вихрь приходит в движение. То есть центр вихря начинает гиротропно прецессировать по фиксированной орбите. То есть, выходя на предельный цикл, начинает двигаться вокруг центра вихря, что, естественно, сопровождается осцилляцией средней намагниченности образца, что благодаря эффекту туннельного или гигантского магнетосопротивления сопровождается опять же осцилляцией электрического сопротивления всей структуры, из-за чего возникает осцилляция тока. То есть мы подаем опять же на структуру постоянный ток, возбуждаем намагниченность с помощью эффекта переноса спина и на выходе имеем осциллирующий микроволновый сигнал.
И у нас была совместная работа с японской группой, которая специализируется на изготовлении таких магнитных туннельных структур, и французской группой из Парижа под руководством нобелевского лауреата Ферта — мы показали, что вихревая структура, основанная на туннельном контакте, может одновременно обладать как высокой выходной мощностью, так и узкой линией. То есть мощность была в первых образцах нановатты и несколько мегагерц ширина линии, что уже было сопоставимо с теми требованиями, которые предъявляются людьми, занимающимися технологией. Следующее направление для дальнейшего увеличения мощности и улучшения спектральных характеристик — это синхронизация ансамблей таких устройств. То есть строится матрица из наностолбиков, пускается ток, и они синхронизуются, их колебания синхронизуются. Получается синхронизованный ансамбль таких устройств.
Мы участвовали в европейском проекте с несколькими европейскими партнерами по этому направлению, и удалось показать, что это можно реализовать на практике, это приведет к хорошим результатам как с точки зрения увеличения мощности, так и в основном с точки зрения улучшения спектральных характеристик такого образца.
Естественно, здесь прогресс не останавливается. Сейчас люди, в том числе и мы, занимаются как улучшением спектральных характеристик таких генераторов, так и построением детекторов на основе таких структур, устройством магнитной оперативной памяти, в том числе основанных на концепции спинового тока. Это может быть предметом уже отдельного разговора.
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
