스핀트로닉스

Spintronics

스핀 일렉트로닉스(spin transport electronics)라고도 하는 스핀 트랜스포트 일렉트로닉스(spin transport[1][2][3] electronics)는 솔리드 스테이트 [4]디바이스에서 기본 전자 전하와 더불어 전자와 관련된 자기 모멘트의 고유 스핀에 대한 연구입니다.스핀트로닉스 분야는 금속 시스템의 스핀 전하 결합과 관련이 있습니다. 절연체에서의 유사한 효과는 다층화 분야로 분류됩니다.

스핀트로닉스는 충전 상태 외에도 전자 스핀이 데이터 저장 및 전송의 효율성에 영향을 미치며 더욱 자유로운 상태로 활용된다는 점에서 기존의 전자 장치와 근본적으로 다릅니다.스핀트로닉 시스템은 희박 자기 반도체(DMS) 및 호이슬러 합금에서 가장 많이 발견되며 양자 컴퓨팅 및 신경형 컴퓨팅 분야에서 특히 관심이 있습니다.

역사

스핀트로닉스는 1980년대에 고체 소자의 스핀 의존형 전자 전달 현상에 관한 발견에서 나왔다.여기에는 Johnson and Silsbee(1985)[5]에 의한 강자성 금속에서 정상 금속으로의 스핀 편광 전자 주입의 관찰과 Albert Pert 등 [6]및 Peter Grünberg 등(1988)[7]에 의한 거대 자기 저항의 발견이 포함된다.스핀트로닉스의 기원은 Meservey와 Tedrow가 개척한 강자석/슈퍼컨덕터 터널링 실험과 [8]1970년대 Julliere의 자기 터널 접합에 대한 초기 실험으로 추적할 수 있다.스핀트로닉스용 반도체의 사용은 1990년[9] Datta와 Das의 스핀 전계효과 트랜지스터와 1960년 [10]Rashba의 전기 쌍극자 스핀 공명의 이론적 제안으로 시작되었다.

이론.

주요 기사: 스핀(물리학)

전자의 스핀은 궤도 운동으로 인해 각 운동량과 분리된 고유 각 운동량이다.임의의 축에 따른 전자의 스핀 투영의 크기는 1 로, 이는 전자가 스핀 통계 정리에 의해 페르미온으로 작용함을 의미합니다.궤도 각운동량처럼 스핀은 연관된 자기모멘트를 가지며, 그 크기는 다음과 같이 표현된다.

m （ \ = { {\ { \

고체에서 많은 전자의 스핀은 함께 작용하여 재료의 자기 및 전자 특성에 영향을 줄 수 있다.예를 들어 강자석처럼 영구적인 자기 모멘트를 부여한다.

많은 물질에서 전자 스핀은 업과 다운 상태 모두에서 동일하게 존재하며, 스핀에 의존하는 수송 특성은 없습니다.스핀트로닉 소자는 스핀 편광된 전자 집단을 생성하거나 조작해야 하므로 스핀 업 또는 스핀 다운 전자가 초과됩니다.스핀 의존 특성 X의 편광은 다음과 같이 쓸 수 있다.

X - - X + { } ↓ - }}} { +

. 스핀 편극은 평형 에너지 스핀을 오르고 스핀 다운하다 분열되어를 만드는 것을 얻을 수 있다.방법 큰 자기장에(제만 효과), ferromagnet의 교환 에너지 선물이나 평형의 시스템을 차질을 재료를 넣어 포함한다.시간의 그런non-equilibrium 인구 유지될 수 있는 그 기간은 스핀 일생 동안,τ{\displaystyle \tau}로 알려져 있다.

는 산만한 지휘자에서 차 확산 거리 λ{\lambda\displaystyle}이 끝나고는non-equilibrium 스핀 인구가 전파될 수 있는 거리로 정의될 수 있다.금속 내의 열 전도 전자의 스핀 생애를 상대적으로(일반적으로 적보다 1나노초) 짧습니다.중요한 연구 분야 기술적으로 관련 일정이 생전을 확대하는 데 전념하고 있다.

줄거리는 스핀을 나타내고 결과로 스핀 전자의 인구 양극화된 스핀 다운하다.주입기 국외, 양극화가 썩기하 급수적으로로 회전과 모집단 위 아래로 균형 상태로 가0으로 스핀을 주입기 내부에 있는 양극화 상수입니다.

쇠퇴한 스핀 spin의 인구에 대한 메커니즘 대략적으로 스핀 플립 산란과 스핀 dephasing으로 구분할 수 있다한 solid 안에서 따라서 외향적인 스핀을 상태로 들어오는 스핀 업 상태 전환할 수 있스핀을 보존하지 않는다 Spin-flip 흩어져 있는 과정이다.그 점에 공통적인 스핀 상태로 전자의 인구가 시간에 전자 스핀 세차 운동의 다른 비율로 인해 양극화된 켜다 dephasing는 과정이다.비좁은 구조에서, 스핀 dephasing, 반도체 양자점들에서 낮은 온도로 밀리초의 생애를 돌리고 억제할 수 있다.

Superconductors 자기 저항 효과를 돌리면 생애와 오락이 없는 spin-currents 같은 스핀 트로닉스에 중심적 효과를 증진시킬 수 있다.[11][12]

금속에서spin-polarised 전류를 발생시키고 가장 간단한 방법은 강자성 물질을 통해 전류에 합격하는 것이다.이런 효과의 가장 공통된 애플리케이션 거대 자기 저항(흑연 감속로)장치를 포함한다.전형적인 GMR이라 기기 강자성 재료 최소 두개 계층들은 스페이서 층으로 분리된로 구성되어 있다.강자성층의 두 자화 벡터가 정렬되면 강자성층이 반정렬일 때보다 전기 저항이 낮아집니다(따라서 정전압으로 높은 전류가 흐릅니다).이것은 자기장 센서를 구성합니다.

GMR의 두 가지 변형은 (1) 전류가 층에 평행하게 흐르는 CIP(Current-in-Plane)와 (2) 전류가 층에 수직인 방향으로 흐르는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)의 장치에 적용되었습니다.

기타 금속 기반 스핀트로닉스 장치:

  • 터널 자기저항(TMR)은 강자성층을 분리하는 얇은 절연체를 통해 전자의 양자역학 터널링을 사용함으로써 CPP 트랜스포트(TPP)를 실현한다.
  • 스핀 전달 토크: 스핀 편광 전자의 전류가 장치 내 강자성 전극의 자화 방향을 제어하기 위해 사용됩니다.
  • 스핀파 로직 디바이스는 위상의 정보를 반송합니다.간섭 및 스핀파 산란은 로직 연산을 수행할 수 있습니다.

스핀트로닉 로직 디바이스

스케일링을 가능하게 하는 비휘발성 스핀 로직 디바이스는 광범위하게 [13]연구되고 있습니다.스핀과 자석을 사용하여 정보 처리를 하는 스핀-전송, 토크 기반 논리 소자가 [14][15]제안되었습니다.이러한 장치는 ITRS 탐색 로드맵의 일부입니다.논리 입력 메모리 애플리케이션은 이미 개발 [16][17]단계에 있습니다.2017년 리뷰 기사는 Materials [4]Today에서 확인할 수 있습니다.

적용들

자기 하드 드라이브의 읽기 헤드는 GMR 또는 TMR 효과를 기반으로 합니다.

모토로라는 단일 자기 터널 접점과 50나노초 미만의 읽기/쓰기 사이클을 갖는 단일 트랜지스터를 기반으로 1세대 256kb 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM)[18]를 개발했다.이후 Everspin은 4Mb [19]버전을 개발했습니다.2세대 MRAM 기술인 TAS([20]Thermal Assisted Switching)와 STT([21]spin-transfer torque)가 개발 중입니다.

또 다른 설계인 레이스 트랙 메모리는 강자성 와이어의 도메인 벽 사이에 자화 방향으로 정보를 부호화합니다.

2012년에는 동기화된 전자의 지속적인 스핀 나선이 나노초 이상 지속되어 이전의 노력에 비해 30배 증가했으며, 최신 프로세서 클럭 [22]사이클의 지속 시간보다 더 오래 지속되었습니다.

반도체 기반의 스핀트로닉 디바이스

도프된 반도체 재료는 묽은 강자성을 나타낸다.최근 몇 년 동안 ZnO 기반 DMO 및 TiO2 기반 DMO를 포함한 희석 자기 산화물(DMO)은 수많은 실험 및 계산 [23][24]연구의 대상이 되어 왔다.비산화물 강자성 반도체 소스(망간 도프 갈륨 비화물 등)(Ga,Mn)As)[25] 터널 [26]장벽 또는 핫 전자 [27]주입을 사용하여 인터페이스 저항을 증가시킵니다.

반도체에서의 스핀 검출은, 복수의 기법으로 다루어져 왔습니다.

  • 투과/반사[28] 광자의 패러데이/Kerr 회전
  • 일렉트로루미네센스의[29] 원형편광해석
  • 비국소 스핀 밸브(Johnson 및 Silsbee의 금속 [30]관련 작업에서 사용)
  • 탄도 스핀[31] 필터링

후자의 기술은 실리콘에서 스핀 [32]트랜스포트(spin transport)를 달성하기 위해 스핀-orbit 상호 작용의 부족과 재료 문제를 극복하기 위해 사용되었습니다.

외부 자기장(및 자기 접점으로부터의 표류장)은 반도체에서 큰 홀 효과와 자기 저항을 일으킬 수 있기 때문에(스핀 밸브 효과를 모방함), 반도체에서 스핀 전송의 유일한 결정적인 증거는 주입된 스핀과 동일하지 않은 자기장에서의 스핀 세차 운동과 디페이징을 보여주는 것입니다.핸리 효과라고 불리는 이텐션.

적용들

스핀 편파 전기 분사를 사용하는 애플리케이션은 임계값 전류 감소와 원편파 간섭성 광출력을 [33]제어했습니다.예를 들어 반도체 레이저가 있습니다.향후의 어플리케이션에는, 보다 가파른 역치 이하의 기울기와 같은 MOSFET 디바이스보다 유리한 스핀 베이스의 트랜지스터를 포함할 수 있다.

자기 터널 트랜지스터:단일 베이스[34] 층을 가진 자기 터널 트랜지스터에는 다음 단자가 있습니다.

  • 이미터(FM1): 스핀 편광된 뜨거운 전자를 베이스에 주입합니다.
  • 베이스(FM2) : 스핀 의존 산란이 베이스에서 발생합니다.스핀 필터 역할도 합니다.
  • 콜렉터(GaAs): 인터페이스에는 쇼트키 장벽이 형성되어 있습니다.숏키 장벽을 극복할 수 있는 충분한 에너지를 가진 전자와 반도체 상태가 가능할 때만 모읍니다.

자기 전류(MC)는 다음과 같이 표시됩니다.

그리고 전송비(TR)는

MTT는 상온에서 높은 스핀 편광 전자원을 약속합니다.

저장 매체

반강자성 저장 매체는 강자성의 [35]대안으로 연구되어 왔습니다. 특히 반강자성 재료를 사용하면 비트를 강자성 재료와 함께 저장할 수 있기 때문입니다.일반적인 정의인 0 ↔ '위쪽으로 가속', 1 ↔ '아래쪽으로 가속' 대신, 상태는 예를 들어 0 ↔ '수직으로 교대하는 스핀 구성' 및 1 ↔ '수직으로 교대하는 스핀 구성'[36]이 될 수 있습니다.

반강자성 재료의 주요 장점은 다음과 같습니다.

  • 제로 순 외부 [37]자화로 인한 표류장에 의한 데이터 수집 섭동에 대한 불감증
  • 반강자성 장치 요소가 인접 [37]요소를 자기적으로 교란하지 않음을 암시하는 근접 입자에 대한 영향 없음
  • 훨씬 짧은 전환 시간(반강자성 공진 주파수는 GHz 강자성 공진 [38]주파수에 비해 THz 범위에 있음)
  • 절연체, 반도체, 세미메탈, 금속, 초전도체 [38]등 일반적으로 이용 가능한 광범위한 반강자성 재료.

반강자성 스핀트로닉스는 넷제로 자화를 통해 기존 강자성 스핀트로닉스에 비해 정보를 읽고 쓰는 방법이 연구되고 있다.현대 MRAM에서는 전류에 의한 보다 효율적이고 확장 가능한 읽기 및 쓰기를 위해 자기장에 의한 강자성 질서의 검출 및 조작이 대부분 포기되었습니다.어차피 필드가 효과가 없기 때문에 반강자석에서도 필드가 아닌 전류로 정보를 읽고 쓰는 방법이 연구되고 있다.현재 반강자석에 대해 연구되고 있는 쓰기 방법은 스핀 홀 효과와 라슈바 효과의 스핀 전달 토크와 스핀-오빗 토크를 사용하는 것입니다.터널 자기저항 등의 자기저항 효과를 통한 반강자석 내 정보 판독도 [39]연구되고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Wolf, S. A.; Chtchelkanova, A. Y.; Treger, D. M. (2006). "Spintronics—A retrospective and perspective". IBM Journal of Research and Development. 50: 101–110. doi:10.1147/rd.501.0101.
  2. ^ 물리 프로파일: "Stu Wolf: True D!할리우드 스토리"[데드링크]
  3. ^ Spintronics: 스핀 기반 전자제품의 미래 비전.Sciencemag.org (2001년 11월 16일)2013년 10월 21일 취득.
  4. ^ a b Bhatti, S.; et al. (2017). "Spintronics based random access memory: a review". Materials Today. 20 (9): 530–548. doi:10.1016/j.mattod.2017.07.007.
  5. ^ Johnson, M.; Silsbee, R. H. (1985). "Interfacial charge-spin coupling: Injection and detection of spin magnetization in metals". Physical Review Letters. 55 (17): 1790–1793. Bibcode:1985PhRvL..55.1790J. doi:10.1103/PhysRevLett.55.1790. PMID 10031924.
  6. ^ Baibich, M. N.; Broto, J. M.; Fert, A.; Nguyen Van Dau, F. N.; Petroff, F.; Etienne, P.; Creuzet, G.; Friederich, A.; Chazelas, J. (1988). "Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices" (PDF). Physical Review Letters. 61 (21): 2472–2475. Bibcode:1988PhRvL..61.2472B. doi:10.1103/PhysRevLett.61.2472. PMID 10039127.
  7. ^ Binasch, G.; Grünberg, P.; Saurenbach, F.; Zinn, W. (1989). "Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange". Physical Review B. 39 (7): 4828–4830. Bibcode:1989PhRvB..39.4828B. doi:10.1103/PhysRevB.39.4828. PMID 9948867.
  8. ^ Julliere, M. (1975). "Tunneling between ferromagnetic films". Physics Letters A. 54 (3): 225–226. Bibcode:1975PhLA...54..225J. doi:10.1016/0375-9601(75)90174-7.
  9. ^ Datta, S. & Das, B. (1990). "Electronic analog of the electrooptic modulator". Applied Physics Letters. 56 (7): 665–667. Bibcode:1990ApPhL..56..665D. doi:10.1063/1.102730.
  10. ^ E. I. 라쉬바, 사이클로트론 및 수직장에서의 복합 공명, Sov.Phys. 솔리드 스테이트 2, 1109 - 1122 (1960 )
  11. ^ Linder, Jacob; Robinson, Jason W. A. (2 April 2015). "Superconducting spintronics". Nature Physics. 11 (4): 307–315. arXiv:1510.00713. Bibcode:2015NatPh..11..307L. doi:10.1038/nphys3242. ISSN 1745-2473. S2CID 31028550.
  12. ^ Eschrig, Matthias (2011). "Spin-polarized supercurrents for spintronics". Physics Today. 64 (1): 43. Bibcode:2011PhT....64a..43E. doi:10.1063/1.3541944.
  13. ^ 반도체 국제 기술 로드맵
  14. ^ Behin-Aein, B.; Datta, D.; Salahuddin, S.; Datta, S. (2010). "Proposal for an all-spin logic device with built-in memory". Nature Nanotechnology. 5 (4): 266–270. Bibcode:2010NatNa...5..266B. doi:10.1038/nnano.2010.31. PMID 20190748.
  15. ^ Manipatruni, Sasikanth, Nikonov, Dmitri E. and Young, Ian A. (2011) [1112.2746] Spintronic Integrated Circuits의 SPICE 회로 이론Arxiv.org 를 참조해 주세요.2013년 10월 21일 취득.
  16. ^ Crocus는 Starcip과 제휴하여 Magnetic-Logic-Unit(MLU) 테크놀로지를 기반으로 한 시스템 온칩 솔루션을 개발합니다.crocus-technology.com 를 참조해 주세요.2011년 12월 8일
  17. ^ Spintronics 논리 집적회로의 신뢰성 향상을 위한 획기적인 신기술.Nec.com. 2012년 6월 11일
  18. ^ 스핀트로닉스시그마-알드리치.2013년 10월 21일 취득.
  19. ^ Everspin은 2012년 6월 30일 Wayback Machine에서 아카이브되었습니다.Everspin.2013년 10월 21일 취득.
  20. ^ 호버맨, 배리.2013년 10월 21일 Wayback Machine에서 아카이브된 실용적인 MRAM의 등장.crocustechnology.com
  21. ^ LaPedus, Mark (2009년 6월 18일) Tower는 Crocus에 투자하여 MRAM 주조 공장 거래에 유용한 정보를 제공합니다.eetimes.com
  22. ^ Walser, M.; Reichl, C.; Wegscheider, W. & Salis, G. (2012). "Direct mapping of the formation of a persistent spin helix". Nature Physics. 8 (10): 757. arXiv:1209.4857. Bibcode:2012NatPh...8..757W. doi:10.1038/nphys2383. S2CID 119209785.
  23. ^ Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H (2013). "Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO2 polymorphs". Journal of Applied Physics. 113 (23): 233913–233913–5. arXiv:1304.1854. Bibcode:2013JAP...113w3913A. doi:10.1063/1.4811539. S2CID 94599250.
  24. ^ Ogale, S.B (2010). "Dilute doping, defects, and ferromagnetism in metal oxide systems". Advanced Materials. 22 (29): 3125–3155. doi:10.1002/adma.200903891. PMID 20535732. S2CID 25307693.
  25. ^ Jonker, B.; Park, Y.; Bennett, B.; Cheong, H.; Kioseoglou, G.; Petrou, A. (2000). "Robust electrical spin injection into a semiconductor heterostructure". Physical Review B. 62 (12): 8180. Bibcode:2000PhRvB..62.8180J. doi:10.1103/PhysRevB.62.8180.
  26. ^ Hanbicki, A. T.; Jonker, B. T.; Itskos, G.; Kioseoglou, G.; Petrou, A. (2002). "Efficient electrical spin injection from a magnetic metal/tunnel barrier contact into a semiconductor". Applied Physics Letters. 80 (7): 1240. arXiv:cond-mat/0110059. Bibcode:2002ApPhL..80.1240H. doi:10.1063/1.1449530. S2CID 119098659.
  27. ^ Jiang, X.; Wang, R.; Van Dijken, S.; Shelby, R.; MacFarlane, R.; Solomon, G.; Harris, J.; Parkin, S. (2003). "Optical Detection of Hot-Electron Spin Injection into GaAs from a Magnetic Tunnel Transistor Source". Physical Review Letters. 90 (25): 256603. Bibcode:2003PhRvL..90y6603J. doi:10.1103/PhysRevLett.90.256603. PMID 12857153.
  28. ^ Kikkawa, J.; Awschalom, D. (1998). "Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs". Physical Review Letters. 80 (19): 4313. Bibcode:1998PhRvL..80.4313K. doi:10.1103/PhysRevLett.80.4313.
  29. ^ 존커, 베렌드 T스핀 편광 주입 캐리어의 붕괴 또는 재결합에 의한 편광 발광– 2009년 12월 12일 Wayback Machine에서 미국 특허 5874749 아카이브.1999년 2월 23일 발행.
  30. ^ Lou, X.; Adelmann, C.; Crooker, S. A.; Garlid, E. S.; Zhang, J.; Reddy, K. S. M.; Flexner, S. D.; Palmstrøm, C. J.; Crowell, P. A. (2007). "Electrical detection of spin transport in lateral ferromagnet–semiconductor devices". Nature Physics. 3 (3): 197. arXiv:cond-mat/0701021. Bibcode:2007NatPh...3..197L. doi:10.1038/nphys543. S2CID 51390849.
  31. ^ Appelbaum, I.; Huang, B.; Monsma, D. J. (2007). "Electronic measurement and control of spin transport in silicon". Nature. 447 (7142): 295–298. arXiv:cond-mat/0703025. Bibcode:2007Natur.447..295A. doi:10.1038/nature05803. PMID 17507978. S2CID 4340632.
  32. ^ Žutić, I.; Fabian, J. (2007). "Spintronics: Silicon twists". Nature. 447 (7142): 268–269. Bibcode:2007Natur.447..268Z. doi:10.1038/447269a. PMID 17507969. S2CID 32830840.
  33. ^ Holub, M.; Shin, J.; Saha, D.; Bhattacharya, P. (2007). "Electrical Spin Injection and Threshold Reduction in a Semiconductor Laser". Physical Review Letters. 98 (14): 146603. Bibcode:2007PhRvL..98n6603H. doi:10.1103/PhysRevLett.98.146603. PMID 17501298.
  34. ^ Van Dijken, S.; Jiang, X.; Parkin, S. S. P. (2002). "Room temperature operation of a high output current magnetic tunnel transistor". Applied Physics Letters. 80 (18): 3364. Bibcode:2002ApPhL..80.3364V. doi:10.1063/1.1474610.
  35. ^ Jungwirth, T. (28 April 2014). "Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets" (PDF) (announcement of a physics colloquium at a Bavarian university). Archived from the original (PDF) on 29 April 2014. Retrieved 29 April 2014.
  36. ^ 이것은 수학적으로 회전 그룹 SO(3)에서 상대론적 커버인 "이중 그룹" SU(2)로의 전환에 해당합니다.
  37. ^ a b Jungwirth, T.; Marti, X.; Wadley, P.; Wunderlich, J. (2016). "Antiferromagnetic spintronics". Nature Nanotechnology. Springer Nature. 11 (3): 231–241. arXiv:1509.05296. Bibcode:2016NatNa..11..231J. doi:10.1038/nnano.2016.18. ISSN 1748-3387. PMID 26936817. S2CID 5058124.
  38. ^ a b Gomonay, O.; Jungwirth, T.; Sinova, J. (21 February 2017). "Concepts of antiferromagnetic spintronics". Physica Status Solidi RRL. Wiley. 11 (4): 1700022. arXiv:1701.06556. Bibcode:2017PSSRR..1100022G. doi:10.1002/pssr.201700022. ISSN 1862-6254. S2CID 73575617.
  39. ^ Chappert, Claude; Fert, Albert; van Dau, Frédéric Nguyen (2007). "The emergence of spin electronics in data storage". Nature Materials. Springer Science and Business Media LLC. 6 (11): 813–823. Bibcode:2007NatMa...6..813C. doi:10.1038/nmat2024. ISSN 1476-1122. PMID 17972936.

추가 정보

외부 링크