Спинтроника

Текст впервые опубликован в журнале Подводная лодка N4, 2004.

Современная электроника основана на использовании электрического тока, а точнее, на движении электронов (от которых, она, собственно и получила свое название). В каждой микросхеме трудятся несметные полчища этих кирпичиков материального мира, занятые очень ответственным делом – переносом и сохранением электрического заряда. Именно на использовании электрического заряда держится все многообразие компьютерной техники, бытовой электроники, не говоря уже о банальной электрической лампочке. Но свойства электрона не ограничиваются только зарядом. Еще В. И. Ленин говорил, что «электрон неисчерпаем как атом». Правда, уже никто не помнит, по какому точно поводу это было сказано, но, судя по всему, современные исследователи «идут верной дорогой», пытаясь поставить и другие свойства электрона на службу человеку. В данном случае речь идет о его спине.

Спин электрона представляет собой одно из его фундаментальных неотъемлемых квантовых свойств. В силу этой фундаментальности на современном уровне развития науки объяснить механизм возникновения спина невозможно, поэтому ограничиваются изучением его свойств. А основным свойством спина электрона является то, что проекция его на любое направление (ось координат) может принимать всего два значения: +1/2 и 1/2. Так вот, коль скоро спин имеет всего два возможных состояния, то нельзя ли и их приспособить для нужд современной технологии? В этом и состоит цель спинтроники.

Впервые термин «спинтроника», по всей видимости, был использован в совместном сообщении знаменитых Лабораторий Белла (Bell Labs) и ученых Йельского университета, который датирован 30.07.1998. В нем впервые прозвучала идея использовать единичные атомы для хранения битов информации, а сами биты хранить в виде спинов электронов.

Жесткие диски

Структура головки считывания на основе GMRНа самом деле, подобно Мольеровскому Журдену, который всю жизнь говорил прозой, не подозревая о том, спинтроника уже достаточно давно служит современной технике. Дело в том, что наличие у электрона спина приводит к тому, что он обладает не только электрическими, но и магнитными свойствами. Соответственно, электроны с различным спином движутся в магнитном поле по-разному. На этом основан эффект GMR, магнитные головки считывания на основе которого широко применяется в современных жестких дисках. Рассмотрим его подробнее.

GMR (Giant Magnetoresistive) – эффект гигантской магниторезистивности – основан на том, что электроны с различным направлением спина (и, соответственно, собственного магнитного момента) под влиянием внешнего магнитного поля движутся по-разному. Магнитная головка GMR состоит из четырех слоев, схематически показанных на рисунке. Верхний слой, состоящий из антиферромагнетика, называется обменным (exchange) и предназначен для того, чтобы зафиксировать магнитное поле второго слоя, который так и называется – фиксирующим (pinned). Для обеспечения необходимых магнитных свойств второй слой изготавливается из ферромагнетика (сплавы никеля, железа, кобальта). Магнитное поле фиксирующего слоя всегда направлено в одну сторону, что и показано на рисунке. Третий слой – проводящий (conducting) – обычно выполняется из меди и служит для разделения фиксирующего чувствительного слоев. Последний, чувствительный (sensing) слой также выполняется из ферромагнетика. В отличие от фиксирующего слоя, направление магнитного поля в нем определяется внешним магнитным полем. В данном случае – это магнитное поле ячейки жесткого диска, которая содержит один бит информации. В зависимости от состояния ячейки изменяется ориентация магнитного поля в чувствительном слое.

Если ориентация магнитного поля в чувствительном слое и в фиксирующем слое совпадают, то сопротивление сенсора уменьшается до минимальной величины. Это происходит потому, что те электроны, спины (и, соответственно, магнитные моменты) которых совпадают с направлением магнитного поля, не испытывают значительного сопротивления и легко проходят сквозь все слои. Электроны, спины которых направлены против магнитного поля, испытывают значительное сопротивление в обоих ферромагнитных слоях.

Если же ориентация магнитного поля в чувствительном слое и в фиксирующем слое противоположны друг другу, то вне зависимости от ориентации спина электроны будут испытывать значительное сопротивление в одном из ферромагнитных слоев. Этот эффект имеет чисто квантовую природу, так как его существование напрямую связано с присутствием у электрона спина. Взаимодействие спинов электронов с магнитным полем обеспечивает магнитным головкам на основе эффекта GMR вдвое большую чувствительность, чем традиционным магнитным головкам.

Эффект GMR был обнаружен и исследован в одной из лабораторий IBM еще в 1988 году, но потребовалось почти десять лет, прежде чем он был реализован в промышленном изделии. В декабре 1997 года IBM начинает серийное производство первых дисков с GMR-головкой с плотностью записи 2.69 Гбит/кв. дюйм. С тех пор плотность записи уже удвоилась, но потенциал технологии все еще не исчерпан.

Эффекты магниторезистивности

Наряду с GMR известны и другие эффекты, связанные с изменением сопротивления среды под влиянием магнитного поля. Это CMR (Collossal Magnetoresistive) – эффект колоссальной магниторезистивности, который проявляется в сильных магнитных полях. Это также и EMR (Extra Magnetoresistive) – эффект экстраординарной магниторезистивности, основанный на изменении орбитального движения электронов в магнитном поле. И наконец, BMR (Ballistic Magnetoresistive) – эффект баллистической магниторезистивности, основанный на баллистических свойствах электронов. Но из всех этих эффектов только GMR имеет отношение к спинтронике, так как именно он основан на различном движении электронов с противоположно направленным спином.

Оперативная память

Структура клапана на основе MTJНаряду с GMR, спин обуславливает и другие физические явления, например MTJ (Magnetic Tunnel Junction) – магнитный туннельный переход. Структура клапана на основе MTJ похожа на GMR-сенсор и состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором (обычно используют окись алюминия). Казалось бы, электрический ток вообще не должен протекать сквозь такую конструкцию. На самом деле в микромире возможны многие вещи, которые тяжело представить. В частности, если на пути электрона стоит непреодолимая стена в виде изолятора, это вовсе не означает, что он вообще не может преодолеть эту стену. В результате туннельного эффекта электрон в состоянии пройти сквозь стену навылет и оказаться с другой стороны. Туннельный эффект используется достаточно широко – от туннельных диодов до сканирующих туннельных микроскопов. В MTJ-клапанах наряду с туннельным эффектом используется тот факт, что электроны с различным спином движутся в магнитном поле по-разному. Если магнитное поле в обоих ферромагнитных слоях клапана совпадает по направлению, то те электроны, спин которых направлен по вектору магнитного поля, легко туннелируют из одного ферромагнитного слоя в другой. Таким образом, сопротивление клапана электрическому току оказывается низким. Если же магнитное поле в этих слоях будет направлено противоположным, то туннельный переход будет затруднен, так как в одном из слоев электрон будет вынужден двигаться против магнитного поля. Вследствие этого сопротивление клапана возрастает на 20–40%. Встречается также и другое название MJT-эффекта, который подчеркивает его отношение к спину – SDT (Spin Dependent Tunneling) – туннелирование, зависящее от спина. Первое работающее устройство на базе эффекта MTJ было создано в Массачусетском технологическом институте физиками Джагадишем Мудерой и Робертом Месерви.

На использовании эффекта MJT основано такое перспективное начинание как MRAM (Magnetic Random Access Memory) – магнитная оперативная память. Ее особенность в том, что информация в ней сохраняется не в виде электрических зарядов на обкладках конденсатора, как в динамической памяти DRAM, и не в виде состояния триггера, как в статической SRAM, а в виде намагниченности слоя ферромагнетика. В качестве достоинств такого типа памяти декларируется весьма малое энергопотребление, высокое быстродействие, гигантская плотность хранения информации. Собственно, поддержание состояния намагниченности вообще не требует затрат энергии, как это происходит в жестких дисках. Высокая плотность хранения обуславливается небольшими размерами элементарной ячейки, для которой не требуется ни большое количество транзисторов, как для SRAM, ни отдельные схемы регенерации, как для DRAM. Эффект MTJ используется в памяти MRAM для считывания информации из магнитной ячейки. Современные образцы памяти MRAM уже достигли емкости 256Кбит (по схеме 16К*16), используют напряжение питания 3В и обеспечивают длительность цикла чтения-записи не более 50 нс. Эти параметры позволяют MRAM напрямую конкурировать с Flash-памятью, а в перспективе – и с обычной динамической памятью. Это наконец-то позволит создавать компьютеры, содержимое памяти которых не будет пропадать при отключении электропитания.

Перспективы

Но потенциал спинтроники не исчерпывается уже разработанными и освоенными технологиями. Несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся уже более семи лет, здесь существует очень много нерешенных научных и технических проблем. Например, сейчас для изменения намагниченности участка ферромагнетика используется магнитное поле. Так как мы умеем создавать магнитное поле только при помощи электрического тока (постоянные магниты не в счет), то встает проблема локализации этого магнитного поля в ограниченном участке пространства. Чем меньше этот участок, тем более высокую плотность хранения информации на магнитном носителе можно получить (конечно, остаются еще вопросы подбора соответствующих магнитных материалов). Недавно сотрудниками Лабораторий физики твердого тела (Цюрих) и Стэнфордского университета был поставлен эксперимент, который показывает возможность изменения намагниченности материала при помощи потока электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин-поляризованы). При помощи фотоэмиссии из полупроводникового катода, вызванной поляризованным светом, был получен пучок спин-поляризованных электронов. Этот пучок был пропущен через магнитную пленку толщиной несколько нанометров. При пролете электронов через пленку спин электронов изменяется (это явление называется прецессией). Так как ничто в природе не проходит бесследно, то и спины электронов в магнитной пленке также изменяются, что и означает изменение намагниченности вещества. Если число пролетевших электронов сравнимо с количеством атомов вещества, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметно. Эффект может быть использован как для записи информации, так и для считывания (при меньшей интенсивности пучка электронов). Потенциально данная технология может обеспечивать скорости перемагничивания (то есть фактически чтения-записи информации) до десятков гигагерц, но до этого исследователям придется пройти еще очень длинный путь.

Другой интересный эффект, который был получен усилиями ученых, состоит в получении чисто спинового потока электронов, без переноса заряда. В эксперименте были сформированы два встречных потока электронов с противоположно направленным спином. Этот удивительный эффект достигнут при помощи двух импульсных поляризованных лазеров, частота одного из которых вдвое меньше, чем другого. Таким образом, достигнута передача спинового заряда без наличия разности потенциалов. Пока это явление наблюдается на расстояниях порядка нескольких десятков нанометров, но дальнейшие исследования в этом направлении продолжаются.

Одна из проблем спинтроники связана с используемыми материалами. Дело в том, что для нее требуется использование ферромагнетиков, магнитные свойства которых и вызывают к жизни разнообразные эффекты с участием спинов электронов. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют усиливать электрический ток в транзисторах – в металлах такой эффект невозможен. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, который является полупроводником. На первый взгляд задача неразрешимая – что-то вроде соленого сахара или сухой воды. Но нет преград для пытливых умов ученых.

В Северо-Западной тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан новый полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде нанометровых пленок методом молекулярной эпитаскии. В глубоком вакууме пучки атомов в нужном соотношении направляются на кристаллическую поверхность, где формируют необходимую кристаллическую структуру. К сожалению, данный метод пригоден только для создания тонких пленок. Зато по своим свойствам он является весьма заманчивым материалом для создания новых спинтронных устройств. Другим подобным материалом является эпитаксиальная пленка из чередующихся прослоек соединений галлия – GaSb, GaMn. Магнитные свойства данного полупроводника сохраняются вплоть до 130° С, что вполне достаточно для нужд современной техники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических соединений. И в этом направлении существуют интересные открытия. В Калифорнийском университете (Риверсайд) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62° С вещество из прозрачного (в инфракрасном спектре) изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например фотоники. Правда, рабочая температура перехода несколько высоковата для использования, но ученые надеются уменьшить ее вариацией состава вещества.

В университете штата Огайо был исследован пластик – тетрацианоэтанид ванадия. Несмотря на свою органическую природу, он имеет и магнитные свойства, сохраняющиеся вплоть до 130° С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволит в будущем создавать дешевую пластиковую память.

В перспективе спинтроника позволит осуществлять обработку и хранение информации в рамках одних и тех же устройств, что приведет как к росту быстродействия, так и к снижению энергопотребления. Создание быстродействующей энергонезависимой памяти MRAM позволит создавать компактные устройства, сочетающие большое время автономной работы с высокой производительностью. Интеграция достижений электроники и спинтроники может значительно продлить жизнь закону Мура и раскрыть новые горизонты в развитии современных компьютеров.

Историческая справка

Cхематическое изображение спина электронаЭлектрон является первой элементарной частицей, которая была обнаружена экспериментально. Электрон открыт в 1897 году Дж. Томпсоном, а название происходит от греческого слова élektron, что означает «янтарь». Первоначально предполагалось, что электрон – это такой маленький-премаленький шарик, заряженный отрицательно. Радиус этого шарика полагался приблизительно равным 10–13 см. Для справки – масса электрона составляет 0.9*10–27 грамм, а заряд – около 1.6*10–19 Кулон.

По мере вторжения классической физики в микромир оказалось, что все не так просто. Электроны, которые обычно проявляли себя как частицы, обладают также и волновыми свойствами. В частности, они могут испытывать интерференцию и дифракцию, что и было обнаружено К. Дэвиссоном и Л. Джермером. Но на этом особенности электронов не закончились. Изучая расщепление спектральных линий излучения атомов, Дж. Уленбек и С. Гаудсмит в 1925 году для объяснения экспериментальных данных предположили наличие у электрона собственного механического момента. Проще говоря, электрон, будучи маленьким шариком, якобы постоянно крутится вокруг своей оси с некоторой постоянной скоростью. Этот механический момент вращения и был назван спином (spin – по-английски вращаться, крутиться).

Поскольку на самом деле электрон шариком не является (а если бы и являлся, то расчетная скорость точки на его поверхности должна была превосходить скорость света, что уже является нарушением специальной теории относительности), то что же такое спин на самом деле, объяснить достаточно трудно. Формальное определение спина – собственный момент количества движения элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Легче от такого определения не становится, но вот упоминание квантовой его природы применительно к электрону говорит о следующем – спин электрона может принимать одно из двух значений: +1/2 и –1/2. На самом деле спин имеет размерность (Дж*c), но так как он квантован и кратен постоянной Планка h, то его обычно изображают в виде целого (или полуцелого, как в случае с электроном) числа.

Несмотря на то, что спин был искусственно введен для объяснения экспериментальных данных, его существование было теоретически обосновано в рамках развития релятивистской квантовой механики – наличие спина является одним из следствий уравнения Дирака для волновой функции свободной частицы.

В классической теории любой движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле. Соответственно, и вращающийся волчок-электрон должен обладать собственным магнитным моментом. Магнитный момент электрона действительно существует и неразрывно связан с его спином (несмотря на то, что, как уже сказано выше, электрон совсем непохож на твердый вращающийся шарик).