Spin: droga do swobody


Magnetyczna pamięć

Inną technologią stricte spintroniczną najbliższą wprowadzenia na rynek są pamięci magnetyczne RAM, tzw. MRAM (Magnetic RAM). W pewnym sensie mamy tu do czynienia ze swoistym powrotem do źródeł, gdyż pierwszymi układami RAM były słynne pamięci na pierścieniach ferrytowych.

Pamięć MRAM można zbudować, korzystając z efektu GMR, jednak znacznie lepszą wydajność zapewnia magnetoopór tunelowy (TMR - Tunneling Magnetoresistance), po raz pierwszy zaobserwowany już w 1975 roku. W tym wypadku mamy dwie warstwy ferromagnetyku rozdzielone warstwą izolującą (tzw. struktura typu MTJ - Magnetic Tunnel Junction). Jako ferromagnetyków używa się zwykle Co, Fe lub FeNi, funkcję izolatora pełni Al2O3 lub MgO. Wskutek tunelowania część elektronów przepływa przez warstwę izolatora. Prąd, podobnie jak w wypadku efektu GMR, zależy od konfiguracji magnetycznej warstw ferromagnetyków: w równoległej jest wyraźnie większy niż w antyrównoległej. Jeśli za pomocą silnego zewnętrznego pola magnetycznego zmienimy konfigurację magnetyczną jednej warstwy ferromagnetycznej (tzw. miękkiej), trwale zmienimy jej opór, co jest równoważne zapisywaniu bitu informacji. Konfiguracja magnetyczna nie zmienia się po odcięciu zasilania.

Spin: droga do swobody

Zasada zjawiska gigantycznego magnetooporu. Opór plastra trzechmetalicznych warstw (magnetycznej, niemagnetycznej i magnetycznej) zależy od konfiguracji magnetycznej ferromagnetyków. Jeśli jest taka sama w obu warstwach, część elektronów (te o zgodnych spinach) przechodzi przez układ. W wypadku konfiguracji antyrównoległejelektrony, które przeszły pierwszą warstwę, są blokowane na drugiej.

Spintronika oferuje tu coś więcej: pozwala polaryzować spinowo prądy przepływające przez układy wielowarstwowe. Spolaryzowany spinowo prąd można porównać do płynnego magnesu. Można zatem transportować określoną konfigurację spinową wewnątrz urządzenia oraz przełączać jego konfigurację magnetyczną. Zmiana tej konfiguracji nie wymaga przykładania zewnętrznego pola magnetycznego. Efekt ten został odkryty w 1996 roku przez Johna Slonczewskiego z firmy IBM, trwają intensywne prace nad zrozumieniem fizyki tego zjawiska (problemem jest konieczność stosowania prądu o dużej gęstości, rzędu nawet 10^7 A/cm2).

Charakterystyczną cechą pamięci MRAM jest jej nieulotność: informacja nie ginie po wyłączeniu prądu. Podobną właściwość mają pamięci Flash dostępne na rynku i dzisiaj. Te ostatnie wymagają jednak relatywnie wysokich napięć do transportu ładunków, a liczba cykli zapisów ma limit zaledwie 100 tysięcy. Tymczasem w wypadku układów MRAM nie ma żadnego fizycznego ograniczenia liczby zapisów. Dodatkowo MRAM ma kilka istotnych cech, m.in. szybkość działania odpowiadającą pamięci SRAM i gęstość upakowania charakterystyczną dla układów DRAM. Wzrost upakowania wynika m.in. ze specyfiki technologii SRAM, która wykorzystuje aż sześć tranzystorów na komórkę pamięci, podczas gdy MRAM używa tylko jednego. TMR produkuje niedużo ciepła. Jednak sprawy nie wyglądają różowo, gdyż pierwsze wprowadzane do masowej sprzedaży układy mają mieć pojemności rzędu zaledwie 4 lub 8 megabitów, co przy gigabitowych pamięciach Flash nie prezentuje się imponująco. Rynek ma jednak sporą dynamikę i można oczekiwać szybkiego postępu. Ocenia się, że na początku 2005 roku produkcją MRAM zajmowało się już blisko 20 firm, m.in. IBM, Infineon, NEC, Toshiba, Samsung, Sony, HP, Philips. Oszacowania rynku są budujące: ośmiokrotny wzrost od 2008 do 2012.

Tranzystory jednoelektronowe

Spin: droga do swobody

Zasada działania tranzystora jednoelektronowego. Elektrony tunelujące do wyspy z ferromagnetycznych elektrod są spolaryzowane spinowo. Przyłożenie napięcia do elektrody centralnej umożliwia przepływ prądu, który zależy od konfiguracji magnetycznej układu. Zmiana konfiguracji pozwala sterować prądem.

Efekty w warstwach metalicznych nie wzmacniają sygnału, służą do jego przełączania lub blokowania. Przechowywanie danych jest istotnym obszarem zastosowań spintroniki, ale wydaje się, że jej wykorzystanie w układach logicznych może dać jeszcze bardziej spektakularne wyniki. Podstawowym problemem jest skonstruowanie odpowiednika klasycznego tranzystora, który włącza się, gdy elektrony są dodawane do półprzewodnika, a wyłącza, gdy są usuwane. W 1985 roku Dmitri Averin i Konstantin Likharev przedstawili ideę tranzystora jednoelektronowego (SET - Single Electron Transistor) zbudowanego na warstwach metalicznych i zdolnego do detekcji ruchu nawet pojedynczych elektronów. Od tego czasu tranzystory SET o rozmiarach rzędu kilku nanometrów wykonano już z metali (np. Al/AlO), półprzewodników (GaAs), nanorurek węglowych, a także pojedynczych cząsteczek. Tranzystory działają na podobnej zasadzie: centralna elektroda (zwana wyspą lub kroplą kwantową) jest otoczona dwoma złączami tunelowymi. Jeśli zewnętrzne elektrody to ferromagnetyki, elektrony tunelujące do wnętrza wyspy są spolaryzowane spinowo, a przepływem prądu można sterować za pomocą słabego pola magnetycznego. Większość tranzystorów SET działa w bardzo niskiej temperaturze, poniżej 100 mK. Taka temperatura, choć ma swoje zalety (gwarantuje niski poziom szumów i trwałość stanów kwantowych) uniemożliwia wprowadzenie tranzystorów SET na masowy rynek. Na szczęście ostatnio pojawiają się informacje o pierwszych udanych prototypach działających w temperaturze pokojowej. Nadal pozostaje do rozwiązania wiele problemów, na przykład wrażliwość tranzystorów SET na obecność ładunków elektrycznych czy małe wzmocnienie napięcia. Obecnie, aby uzyskać modulację o dziesiątki miliwoltów, trzeba doprowadzić do układu napięcie rzędu dziesiątków woltów.

Tranzystory SFET

Spin: droga do swobody

Przekrój tranzystora spinowego SFET. Znajdująca się między emiterem a kolektorem wielowarstwowa baza może - zależnie od konfiguracji magnetycznej - obniżać energię elektronów, dzięki czemu nie przekroczą bariery na złączu z kolektorem. Wpływ utraty energii na funkcjonowanie elektronu widać na dolnym schemacie, który odwzorowuje różnice wysokości barier potencjału.

Większość opisanych problemów z tranzystorami jednoelektronowymi (wzmocnienie, wrażliwość na ładunki itp.) można ominąć, używając półprzewodników do budowy tranzystora spinowego. W 1990 roku Supriyo Datta i Biswajita Das zaprezentowali spinowy tranzystor polowy (SFET - Spin Field-Effect Transistor). Tego typu układy składają się z emitera i kolektora wykonanych w technice półprzewodnikowej oraz ferromagnetycznej bazy, której wielowarstwowa konstrukcja przypomina omawianą w wypadku efektu GMR. Na granicy emitera z bazą i kolektora z bazą powstają bariery potencjału. Przy właściwym napięciu elektrony mają dostatecznie dużo energii, aby przedostać się przez tę barierę potencjału do bazy, gdzie zdążają w kierunku kolektora. Tam trafiają na drugą z barier i jeśli nie straciły energii, mogą ją przekroczyć, jeśli nie - zostają rozproszone. Istota tranzystora SFET polega na tym, że jeśli baza znajduje się w konfiguracji magnetycznej ze spinami w obu warstwach zorientowanymi równolegle, wówczas do kolektora docierają elektrony o określonej konfiguracji spinowej - pozostałe są rozpraszane. Tym samym prąd wypływający z kolektora jest spolaryzowany spinowo. Przy antyrównoległej konfiguracji droga swobodna elektronów w bazie nie zależy od ich spinu i prąd z kolektora nie jest spolaryzowany spinowo. Aby tranzystor SFET działał poprawnie, konieczne jest potrzymanie polaryzacji spinu przez cały czas przemieszczania elektronu w obrębie układu. Inne struktury hybrydowe funkcjonują jako półprzewodnikowe tranzystory spinowe, z tzw. dwuwymiarowym gazem elektronowym. Są podobne w budowie i działaniu, lecz wykorzystują bardziej subtelne zjawiska fizyczne, których omówienie wykracza poza ramy artykułu.

Tranzystory SFET mają tę zaletę, że przełączanie spinu elektronów trwa znacznie szybciej i wymaga mniej energii niż w wypadku tranzystorów FET. Ferromagnetyki grające rolę emitera i kolektora mogłyby poza tym zmieniać orientację magnetyczną pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Wówczas funkcje logiczne bramek można by zmieniać adekwatnie do potrzeb. Nie ma róży bez kolców. Półprzewodniki ferromagnetyczne wykazują kiepskie właściwości magnetyczne w temperaturze pokojowej i działają poprawnie w temperaturze znacznie poniżej zera stopni Celsjusza. Konieczne jest znalezienie materiałów o temperaturze Curie wyraźnie wyższej od temperatury pokojowej. Wciąż są problemy ze wstrzykiwaniem spolaryzowanych spinowo prądów do półprzewodnika i z podtrzymaniem koherencji tej polaryzacji wewnątrz układu.