62 подписчика

Глава 3. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Часть 5.Спинтроника.

19 января 202019 янв 2020

6 мин

Электроны обладают зарядом и спином, однако, лишь относительно недавно их спиновым свойствам стали уделять пристальное внимание. Начиная с 1988 года, с момента открытия гигантского магниторезистивного эффекта в магнитных многослойных плёнках, было положено начало эффективному управлению движения электронов, воздействуя на их спиновый момент (рис.42). Открытие этого явления и дало начало новому направлению в электронике - спинтронике, в которой используется действие спина на подвижность электронов в ферромагнитных металлах.

Рис.42. Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний − либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разно-направлены).

Гигантское магнетосопротивление и спинтроника берут своё начало в ранее существовавших исследованиях по влиянию спина на электрическую проводимость в ферромагнитных металлах. Модель спин-зависимой проводимости была предложена Моттом ещё в 1936 году: её основа состоит в объяснении данного механизма из стандартной зонной теории, в которой расщепление энергетических уровней с ориентацией спинов «вверх» и «вниз» (по аналогии с понятием «основных» и «неосновных носителей заряда») приводит к тому, что на уровне Ферми носители тока (электроны) находятся в разных состояниях, соответствующим противоположным ориентациям спинов и в результате этого обладающих разными свойствами проводимости.

Спинтроника в свою очередь делится на полупроводниковую и молекулярную спинтронику:

полупроводниковая ветвь позволяет сочетать достоинства полупроводников (управление током в полупроводнике электрическим потенциалом затвора, сочленение с оптическими элементами и т.д) с достоинством магнитных материалов (управление током путём изменения распределения намагниченности в материале, энергонезависимости и т.д.);
молекулярная ветвь – позволяет создавать спиновый транспорт в графеновых наноструктурах, подобных углеродным нанотрубкам, в результате которого время жизни спина электронов в определённом состоянии выше, чем в полупроводниковом канале, и при этом носители заряда пролетают быстрее из-за высокой фермиевской скорости.

Однако, в данной области наноэлектроники стоит острая проблема с материалами – спиновые свойства, до недавнего времени, наблюдались лишь при низких температурах, а для эффективности приборов, работающих на спиновых свойствах, необходимо точно подбирать значения величин сопротивления на границе полупроводник/сток или полупроводник/исток для переноса спина, причём время пролёта носителей заряда должно быть меньше времени жизни данного состояния спина в канале исток-сток [35].

Поэтому особое внимание исследователей в области спинтроники привлекают двумерные материалы, представляющих собой очень тонкие плёнки толщиной от одного до нескольких атомов.

Открытие графена стало основой для множества исследовательских работ в области двумерных материалов, обладающих особыми топологическими свойствами: они представляют собой изолятор внутри и проводник на поверхности. Материалы, обладающие такими свойствами, называются топологическими изоляторами (ТИ). Их свойства радикально отличаются от трёхмерных аналогов из-за подавления электрон-фононного взаимодействия за счёт размерных эффектов, в результате которых материал меньше препятствует движению электронов, а благодаря спин-орбитальному взаимодействию свойства материала оказываются весьма привлекательными для практического применения, например, для хранения данных: при нанесении магнитного слоя на поверхность топологического изолятора можно эффективно считывать биты, если пропускать небольшой ток в ТИ. При подаче тока более сильного напряжения спиновая плотность, наводимая в ТИ, могла бы переключать состояние магнитных битов, делая перезапись содержимого.

Ещё одна область потенциального применения – сверхчувствительные датчики электромагнитного поля: поскольку на поверхности ТИ электроны имеют нулевую эффективную массу, то его носители заряда более чувствительны к применению электрического поля, нежели в типичном полупроводнике. К тому же, благодаря высокой чувствительности полей, в ТИ можно быстро и эффективно управлять проводимостью с помощью внешнего электрического поля.

Топологические изоляторы представляют собой особый класс диэлектрических материалов или двумерных кристаллических систем, имеющих устойчивые проводящие поверхностные или краевые состояния. Термин «топология» в их названии отражает те особенности материалов, благодаря которым проводящие состояния устойчивы к рассеиванию, то есть носители заряда в нём являются топологически защищёнными – то есть квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны, в отличии от обычных состояний частиц на поверхности, а потому не могут быть разрушены загрязнениями, неоднородностями материала – по этой причине электроны испытывают небольшие или даже малые ( как в сверхпроводниках) сопротивления среды в процессе своего движения.

Проводящие особенности топологических изоляторов объясняются согласованным поведением электронов благодаря магнитному полю от ядер собственных атомов, причём даже при комнатной температуре. Однако, скоординированные в своём поведении электроны почти всегда жёстко ограничены в движениях внутри материала – они согласованно вращаются на одном месте, по орбите вдоль ядер, при этом электроны, находящиеся на краю плёнки, вынуждены перескакивать вдоль этой границы материала от одного атома к другому. В результате образуется тонкий проводящий поверхностный слой по краю, причём изменение проводимости здесь происходит строго дискретными квантовыми шагами, подобных тем, что наблюдаются в квантовом эффекте Холла.

Важнейшую роль в проводящих свойствах топологических изоляторов играет спин электрона – квантовая характеристика частицы, позволяющая представить её как вращающийся волчок, ось которого имеет определённое направление. В условиях топологического изолятора направление движения поверхностного электрона и ориентация его спина жёстко связаны (заперты) и изменяются только согласованно друг с другом (т.е частицы со спином «вверх» движутся по краю в одну сторону, а со спином «вниз» - в обратную) [36-37].

Источники:

35. А.Ферт «Происхождение, развитие и перспективы спинтроники»; Успехи Физических Наук, 2008, том 178, №12, с 1336-1348.

36. Сайт «3DNews», URL: https://3dnews.ru/635384 (дата посещения 21.021.2017).

37. Сайт «Элементы», URL: http://elementy.ru/novosti_nauki/432847/Nobelevskaya_premiya_po_fizike_2016/t3140741/Nobelevskie_premii (дата посещение 21.02.2017).