Jakie są współczesne metody generowania i kontroli spinowego prądu w spintronice?

Zasada działania głowic magnetycznych w dyskach twardych o wysokiej gęstości oparta jest na zjawisku gigantycznej magnetooporności (GMR). Dzięki wyjątkowej czułości GMR na pole magnetyczne, udało się zmniejszyć głowice magnetyczne do rozmiarów rzędu 30–50 nm. Efektem tego było osiągnięcie pojemności przekraczającej 4 TB w komputerach stacjonarnych i ponad 1 TB w laptopach. Większość współczesnych urządzeń spintroniki bazuje na metalicznych materiałach magnetycznych – obszar ten określany jest jako magnetoelektronika.

W 1995 roku odkryto nowe zjawisko – tunelową magnetooporność (TMR), która charakteryzuje się wyższą wartością magnetooporności oraz niższą siłą koercji. Dzięki TMR opracowano złącza tunelowe magnetyczne (MTJ), które otworzyły drogę do rozwoju nowej generacji pamięci – magnetorezystywnej pamięci o dostępie swobodnym (MRAM). MRAM, jako pamięć nieulotna, oferuje odporność na utratę danych przy zaniku zasilania, prędkość odczytu porównywalną z SRAM oraz pojemność porównywalną z DRAM. Dzięki temu znajduje szerokie zastosowanie w nowoczesnych technologiach informacyjnych.

Drugi nurt spintroniki koncentruje się na materiałach półprzewodnikowych. Celem jest uzyskanie nierównowagi liczby spinów, co umożliwi stworzenie tranzystorów spinowych oraz zaworów spinowych jako alternatywy dla tradycyjnych urządzeń elektronicznych. Urządzenia te cechują się niskim zużyciem energii i wysoką szybkością przełączania, a dzięki wykorzystaniu istniejącej technologii półprzewodnikowej możliwe jest znaczące obniżenie kosztów produkcji.

Aby wykorzystać stopień swobody związany ze spinem w półprzewodnikach, należy generować, utrzymywać, kontrolować oraz detektować polaryzację spinową nośników. Istnieje kilka metod generowania spinowego prądu:

Pierwsza to iniekcja omowa, która polega na użyciu ferromagnetycznego metalu jako elektrody do wstrzykiwania spinowo spolaryzowanych elektronów do półprzewodnika. Jednak kontakt omowy uzyskany przez silne domieszkowanie powoduje rozpraszanie i fluktuację spinu, co znacznie obniża stopień polaryzacji. W temperaturze poniżej 10 K, ze złącza FM-InAs uzyskano prąd spolaryzowany spinowo na poziomie 4,5%, a w temperaturze pokojowej – 2% dla złącza Fe-GaAs.

Drugą metodą jest tunelowanie próżniowe, potwierdzone eksperymentami z mikroskopem skanującym tunelowym (STM), które wykazały skuteczne wstrzykiwanie elektronów spolaryzowanych spinowo do półprzewodnika. W złączach tunelowych typu FM–izolator–FM udało się zachować polaryzację spinu podczas całego procesu tunelowania. Tunelowanie okazuje się zatem bardziej efektywną metodą iniekcji spinowej niż transport dyfuzyjny, jednak wymaga precyzyjnej epitaksji cienkich warstw ferromagnetycznych oraz wysokiej jakości barier potencjału Schottky’ego.

Trzecia metoda opiera się na transporcie balistycznym. W tym przypadku, różnice w energiach pasm przewodnictwa dla różnych spinów w materiale ferromagnetycznym oraz półprzewodniku determinują efektywność tran

Jak spintronika może zrewolucjonizować przyszłość elektroniki?

Drugą gałęzią spintroniki są badania nad półprzewodnikami, które mają na celu stworzenie przełączników spinowych, takich jak tranzystory spinowe i zawory spinowe. Celem tych badań jest stworzenie urządzeń, które będą wykorzystywały nierównowagę spinów do realizacji nowych technologii elektronicznych. Technologie spintroniki mają istotne zalety, w tym niski pobór energii i szybkie czasy przełączania, co czyni je bardzo obiecującymi do przyszłych urządzeń, które mogą zastąpić tradycyjne półprzewodnikowe elementy elektroniczne. Cechą szczególną tych urządzeń jest możliwość zastosowania już istniejących, dojrzałych technologii półprzewodnikowych, co znacząco obniża koszty rozwoju. Jednak w pełni kontrolowanie spinów nośników w półprzewodnikach, ich generowanie, utrzymywanie oraz detekcja, pozostaje wyzwaniem.

Istnieje wiele metod generowania prądów spinowych, takich jak: wtrysk ohmiczny, wtrysk tunelowy, wtrysk balistyczny, czy wykorzystanie efektu Zeemana w rozcieńczonych półprzewodnikach magnetycznych (DMS) w polu magnetycznym. Jednak każda z tych metod wiąże się z pewnymi trudnościami. Na przykład wtrysk ohmiczny polega na wprowadzeniu spinów do półprzewodnika przy pomocy ferromagnetycznego metalu, ale wtrysk taki powoduje rozpraszanie spinów, co zmniejsza polaryzację spinową. W temperaturach poniżej 10 K, z kontaktu FM-InAs uzyskano tylko 4,5% spinowanych elektronów, a przy temperaturze pokojowej, z kontaktu Fe-GaAs, było to jedynie 2%.

Jednym z najbardziej znanych i pierwotnych urządzeń spintronicznych jest tranzystor spinowy, zaproponowany przez Dattę i Dasa w 1989 roku. To urządzenie ma na celu kontrolowanie spinów elektronów, co umożliwia jego działanie. Pomimo licznych prób, doprowadzenie do praktycznego wdrożenia tranzystora Datty–Dasa wciąż nie zostało osiągnięte, co pokazuje, jak trudne jest to wyzwanie i jak wiele pracy pozostaje przed naukowcami.

Spintronika stanowi przełom w rozwoju technologii elektroniki, oferując nowe metody przechowywania informacji i przetwarzania danych. Ponadto, dzięki wykorzystaniu technologii półprzewodnikowych, takich jak tranzystory spinowe, urządzenia mogą osiągnąć lepszą efektywność energetyczną oraz wyższą prędkość działania. Należy jednak pamiętać, że pomimo licznych osiągnięć, przed nami jeszcze wiele wyzwań związanych z pełnym wykorzystaniem potencjału spintroniki. Kluczowym aspektem jest dalszy rozwój metod produkcji i kontroli spinów nośników w półprzewodnikach oraz integracja tych technologii z istniejącymi platformami elektronicznymi.

Warto również zauważyć, że spintronika nie jest jedyną rewolucyjną technologią w obszarze elektroniki. Coraz większe znaczenie zyskują materiały węglowe, takie jak nanorurki węglowe (CNT) i grafen, które mają niezwykłe właściwości elektryczne i mogą w przyszłości zrewolucjonizować urządzenia elektroniczne. Zastąpienie tradycyjnych półprzewodników materiałami węglowymi może otworzyć nowe perspektywy w miniaturyzacji urządzeń oraz zwiększeniu ich wydajności. Jednak również w tej dziedzinie wciąż napotykamy na liczne wyzwania związane z produkcją i integracją tych materiałów w istniejących technologiach elektronicznych.