Teraźniejszość i przyszłość

Transkrypt

1 SPINTRONIKA Teraźniejszość i przyszłość Wstęp Elektrony mają i ładunek, i spin, ale do niedawna obie właściwości rozważano i wykorzystywano wyłącznie oddzielnie. Konwencjonalna elektronika wykorzystuje pole elektryczne do sterowania ładunkiem elektrycznym, natomiast ignoruje spin elektronu. Inne klasyczne technologie, np. magnetyczny zapis informacji, wykorzystują spiny, ale tylko poprzez ich makroskopową manifestację, czyli namagnesowanie ferromagnetyka. 1

2 Wstęp Sytuacja zaczęła się zmieniać w 1988 r od odkrycia gigantycznego magnetooporu 1, 2 w układach wielowarstwowych. Odkrycie to spowodowało rozwój nowej technologii, obecnie nazywanej spintroniką, wykorzystującej zależność ruchliwości elektronów od orientacji spinu. 1 Baibich, M. N., J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F.Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas,1988, Phys. Rev. Lett. 61, Binash, G., P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn, 1989, Phys. Rev. B 39, SPINTRONIKA, MAGNETOELEKTRONIKA Spintronika = elektronika bazująca na spinie elektronu 2

3 Wstęp Aby urządzenia spintroniczne były użyteczne, muszą spełniać następujące warunki: muszą istnieć materiały (układy materiałów), których właściwości zależą od orientacji spinów; musi istnieć możliwość wstrzykiwania do materiału niemagnetycznego, a najlepiej półprzewodnika, elektronów (dziur) o uporządkowanych spinach; uporządkowanie spinów w materiale niemagnetycznym nie może zbyt szybko zanikać (droga dyfuzji musi być porównywalna z rozmiarem warstw niemagnetycznych); muszą istnieć sposoby pozwalające wpływać na orientację spinów; Spin elektronu SPIN jest to wielkość w 100% kwantowa. Ma on reputację wielkości, której nie można zrozumieć. Analogia do klasycznego momentu pędu obrotu wokół własnej osi jest wysoce niedoskonała. Np. cząstka nie może stracić lub zyskać spinu, może jedynie zmienić jego kierunek. SPIN jest to jedna z podstawowych cech cząstek (podobnie jak masa i ładunek). FERMIONY mają spin połówkowy (2n+1)½ (elektron, neutron, proton itd.) BOZONY mają spin całkowity (foton, pion itd.) 3

4 Spin elektronu Spin elektronu jest skwantowany i jego wartość wynosi: 1 1 S = s(s + 1) h = 1 + h 2 2 Gdzie s=½ jest spinową liczbą kwantową. Również rzut spinu na oś z (np. kierunek pola magnetycznego) jest skwantowany: S z = m s h Gdzie m s przyjmuje 2s+1 wartości, co znaczy że może wynosić +½ i -½. Spiny mogą być różnie uporządkowane 4

5 Oddziaływanie wymiany Oddziaływanie wymiany może być różnego rodzaju: Wymiana bezpośrednia Nadwymiana Wymiana pośrednia Główne zagadnienia spintroniki magnetoopór; materiały; wstrzykiwanie spinu; spiny w materiale niemagnetycznym; manipulowanie spinem; 5

6 Magnetoopór Zjawisko magnetooporu (zjawisko Gaussa) polega na zależności oporu elektrycznego materiału od pola magnetycznego. Magnetoopór (MR) najczęściej wyraża się w procentach, zgodnie z wyrażeniem: ρ( B) ρ(0) MR = 100% ρ(0) gdzie B indukcja pola magnetycznego, ρ(b) oporność właściwa w polu magnetycznym, ρ(0) oporność właściwa bez pola. Magnetoopór Zależność oporu od pola magnetycznego pojawia się w zwykłych metalach i półprzewodnikach w silnych polach magnetycznych. Te materiały nie nadają się do stosowania w spintronice (chyba, że w innych, pomocniczych celach). Opór metali ferromagnetycznych i innych materiałów zawierających domieszki magnetyczne zależy od pola magnetycznego. Te materiały mogą być użyteczne w zastosowaniach spintronicznych. 6

7 Anizotropowy magnetoopór W metalach ferromagnetycznych (szczególnie metalach przejściowych) opór zależy od kierunku prądu względem kierunku namagnesowania anizotropowy magnetoopór. Największy efekt w Ni 1-x Co x z x około 0.2 i permalloy-u Ni 80 Fe 20 Anizotropowy magnetoopór Elektrony są silniej rozpraszane gdy poruszają się równolegle do pola magnetycznego. 7

8 Anizotropowy magnetoopór Ferromagnetyk Zjawisko anizotropowego magnetooporu w metalach ferromagnetycznych zostało odkryte przez Kelvina w 1857 roku. W ferromagnetycznym metalu koncentracja oraz ruchliwość elektronów o spinie i spinie różnią się. N ε F ε N Materiały Najbardziej oczywiste materiały to ferromagnetyczne metale. Najbardziej atrakcyjne i interesujące materiały spintroniczne to półprzewodniki magnetyczne. Półprzewodniki magnetyczne pozwoliłyby wykorzystać jednocześnie zalety konwencjonalnej elektroniki i spintroniki. Przykładowe grupy materiałów: terryty perowskity; półprzewodniki III-V lub II-VI domieszkowane metalami magnetycznymi; krzem magnetyczny; magnesy molekularne; Nanomagnesy; 8

9 Metale ferromagnetczne. Raczej nie są to nowe materiały magnetyczne, ale w spintronice są stosowane, gdyż: 1 Oddziaływanie wymiany powoduje, że koncentracja elektronów o spinie i spinie może być różna. 2. Mają anizotropowy magnetoopór. Ceramiczne materiały magnetyczne Era magnesów ceramicznych zaczęła się w 1946 roku. J.L. Snoeck z Philips Laboratory w Holandii zsyntezował pierwszy silny magnes ferrytowy. 9

10 Struktura spinelu. AB 2 O 4 8 atomów A w położeniach tetraedrycznych, 16 atomów B w położeniach oktaedrycznych, 32 atomy tlenu Spinele MgO.Al 2 O 3 = MgAl 2 O 4 ZnO.Fe 2 O 3 = ZnFe 2 O 4 FeO.Al 2 O 3 = FeAl 2 O 4 CoO.Al 2 O 3 = CoAl 2 O 4 MnO.Al 2 O 3 = MnAl 2 O 4 NiO.Al 2 O 3 = NiAl 2 O 4 10

11 Odwrotne spinele Struktura jest taka sama, ale: położenia tetraedryczne są zajęte przez atomy B, natomiast położenia oktaedryczne: w połowie przez A i w połowie przez B. Co zapisujemy: B(A 0.5 A 0.5 ) 2 O 4 Odwrotne spinele MgO.Fe 2 O 3 = FeMgFeO 4 NiO. Fe 2 O 3 = FeNiFeO 4 CoO. Fe 2 O 3 = FeCoFeO 4 FeO. Fe 2 O 3 = FeFeFeO 4 = Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 = Fe 3+ (Fe 2+ Fe 3+ )O 4 11

12 Skąd się bierze moment magnetyczny ferrytów? Na przykładzie Fe 3 O 4 W komórce elementarnej: położenie tetraedryczne jest zajęte przez Fe +3, położenie oktaedryczne przez Fe +3 oraz Fe +2. T O Skąd się bierze moment magnetyczny ferrytów? Uporządkowanie magnetyczne zależy od oddziaływania nadwymiany pomiędzy sąsiednimi atomami Fe. To, z kolei zależy od stopnia nakładania się orbitali Fe3d i O2p oraz od kąta wiązań Fe-O-Fe. Możliwe oddziaływania: tet-tet, okt-tet, okt-okt. 12

13 Skąd się bierze moment magnetyczny ferrytów? Fe 3 O 4 = Fe 3+ (Fe 2+ Fe 3+ )O 4 Najsilniejsze oddziaływanie występuje pomiędzy sąsiednim oktaedrycznym i tetraedrycznym położeniem i jest to oddziaływanie antyferromagnetyczne. Następne jest okt-okt (ferromagnetyczne), a najsłabsze tet-tet. W rezultacie otrzymujemy: Obliczony maksymalny moment magnetyczny wynosi 4 µ B na komórkę elementarną (zmierzony: 4.1) Ferryty Ferryty są dobrymi materiałami magnetycznymi dzięki ich dużemu momentowi magnetycznemu M i dużemu oporowi elektrycznemu R. Ferryt kobaltowy CoO.Fe 2 O 3 ma oporność 10 7 Ωcm, podczas gdy żelazo metaliczne ma oporność 10-5 Ωcm. To oznacza, że przy tym samym napięciu indukowanym przez pole magnetyczne prądy wirowe przy tym samym napięciu indukowanym przez zmiany pola magnetycznego będą 12 rzędów mniejsze w ferrycie niż w żelazie. 13

14 Perowskity Perowskity manganowe, np. La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 wykazują tzw kolosalny magnetoopór (CMR). Zależność MR od pola magnetycznego 4 4 N. Kozlova, T. Walter, K. Dörr, D. Eckert, A. Handstein, Y. Skourski, K.-H. Müller, L. Schultz, Physica B 346, 74 (2004) Perowskity Perowskity manganowe: A1-xBxMnO3, gdzie A to La, Nd lub Pr, natomiast B = Ca, Ba, Sr. Materiały te, w pobliżu temperatury Curie wykazują tzw kolosalny magnetoopór (CMR) Przewodzenie odbywa się w nich poprzez hopping między jonami Mn 3+ i Mn 4+, Momenty magnetyczne muszą być równoległe aby to było możliwe tzn. potrzebny jest stan ferromagnetyczny W T c zachodzi przemiana izolator-metal Pole magnetyczne zwiększa uporządkowanie ferromagnetyczne opór maleje 14

15 Półprzewodniki EuX We wczesnych latach 1960 badano związki typu: EuX, gdzie X = O, S, Se, Te, w których jon magnetyczny Eu 2+ zajmował położenia w każdym węźle sieci. inne materiały: GdS,EuSe i spinele CdCr 2 Se 4. Półprzewodniki EuX Półprzewodniki magnetyczne typu EuX, chociaż ciekawe, mają małe szanse na zastosowanie ich w spintronice, ponieważ: Temperatura Curie około wynosi 80K, trudna synteza; Struktura krystaliczna jest inna niż Si i GaAs; Małe nadzieje na poprawę własności. 15

16 Półprzewodniki III-V lub II-VI Półprzewodniki magnetyczne Są to półprzewodniki, w których atomy III (lub II) grupy w związkach typu III-V (lub II-VI) są częściowo zastąpione przez jony magnetyczne, np.- Mn, Co 5. Uporządkowanie spinów pomiędzy jonami Mn następuje za pośrednictwem swobodnych dziur 5 Ohno i Matsukura, Solid State Commun.117, 179 (2001) Półprzewodniki III-V lub II-VI Półprzewodniki magnetyczne Problem 1: synteza takich półprzewodników jest trudna i jeszcze trudniej jest je domieszkować, tak aby otrzymać półprzewodniki magnetyczne typu n i p. 16

17 Półprzewodniki III-V lub II-VI Mn jest akceptorem CB Mn 3d VB GaSb GaAs GaP GaN Półprzewodniki III-V lub II-VI Półprzewodniki magnetyczne. Problem 2: niskie temperatury Curie. Rysunek: Obliczone i doświadczalnie otrzymane T C półprzewodników magnetycznych zawierających 5% Mn Dietl et al., Science, (2000), T. Bland, Physcis World, Jan 3,

18 Półprzewodniki III-V lub II-VI Z przewidywanych temperatur Curie wynika, że nadzieje budzą GaN oraz ZnO. I rzeczywiście, potwierdzono ostatnio, że GaMnN jest ferromagnetykiem około 300K (obliczona temperatura Curie = 940K). Krzem Półprzewodniki magnetyczne Najlepszym możliwym materiałem spintronicznym byłby krzem o właściwościach magnetycznych. Wykorzystanie krzemu jest jednak trudne, ponieważ rozpuszczalność pierwiastków magnetycznych w Si jest mała. Przykład: amorficzny krzem implantowany chromem (16% at. Cr) i wygrzewany w atmosferze wodoru ma właściwości magnetyczne powyżej temperatury pokojowej (pochodzenie magnetyzmu: perkolacja magnetycznych polaronów) 6. 6 Yao, J-H., Lin, H-H. & Chin, T-S. Room temperature ferromagnetism in Cr-doped hydrogenated amorphous Si films. Appl. Phys. Lett. 92, , (2008). 18

19 Krzem Badania prowadzone przez Vincenta LaBella i Martina Bolduc, pokazały, że Si implantowany Mn (koncentracja do 1%) ma właściwości magnetyczne aż do 127 o C Węgiel Ciekawostka: niezwykle ciekawą grupę materiałów magnetycznych stanowią niedawno odkryte materiały, które nie zawierają pierwiastków magnetycznych, ale wykazują spontaniczne namagnesowanie. Są to między innymi różne postacie węgla 7. Rysunek: Krzywa histerezy warstwy grafitu przed i po implantacji węgla 12 C 7 Huihao Xia, at al.., "Tunable Magnetism in Carbon-Ion-Implanted Highly Oriented Pyrolytic Graphite", Adv. Mater. 2008, 20,

20 Krzem Również atomy krzemu na powierzchni nanodrutów/ nanowarstw mogą wykazywać uporządkowanie magnetyczna. The step edges on the Si(553) Au surface undergo a 1 3 reconstruction at low temperature which has recently been interpreted theoretically as the 3 ordering of spin-polarized silicon atoms at the edges of the graphitic Si nanowires on this vicinal surface. New Journal of Physics Volume 14 October 2012 P C Snijders et al 2012 New J. Phys Nano-spintronika Uporządkowanie spinów w nanodyskach grafenowych. Wielkość momentu magnetycznego jest proporcjonalna do długości krawędzi) Motohiko Ezawa Department of Applied Physics, University of Tokyo, Hongo 7-3-1, Tokyo , Japan Cond.Mat. March

21 Nano-spintronika Nie tylko grafen (warstwa Co na Cu) i nie tylko obliczenia: Spin-Dependent Quantum Interference Within a Single Magnetic Nanostructure H. Oka, P. A. Ignatiev, S. Wedekind, G. Rodary,* L. Niebergall, V. S. Stepanyuk, D. Sander, J. Kirschner SCIENCE VOL FEBRUARY 2010 Materiały: magnes molekularny Cząsteczka Cr 8 Cd (a ściślej: [H2NtBuisPr][Cr8CdF 9(O2CC(CH3)3)18],) T Lancaster et al. J. Phys.: Condens. Matter 23 (2011)

22 Wstrzykiwanie i manipulowanie spinem Aby urządzenia spintroniczne były użyteczne, musi istnieć możliwość wstrzykiwania i kontrolowania spinu. Najlepiej znanym źródłem elektronów o spolaryzowanym spinie są metale ferromagnetyczne. Najprostszą i wydającą się oczywistą metodą jest wstrzykiwanie elektronów z ferromagnetyka (w którym pewien kierunek spinu dominuje) do niemagnetycznego materiału poprzez kontakt elektryczny. Wstrzykiwanie spinu Ten pozornie oczywisty sposób, czyli wstrzykiwanie elektronów z ferromagnetyka do niemagnetycznego materiału poprzez omowy kontakt elektryczny okazał się przydatny tylko w układach metal magnetycznymetal niemagnetyczny. Rysunek: Elektrony o zorientowanych spinach wstrzykiwane są z F do N, powodując akumulację spinu w niemagnetycznym metalu (N). Igor Zutic, et al.. Rev. Mod. Phys., 76, No. 2,

23 Wstrzykiwanie spinu W przypadku złącza ferromagnetycznego metalu i półprzewodnika, zjawiskiem pozwalającym na efektywne wstrzykiwanie elektronów o zorientowanym spinie jest tunelowanie. Wprowadzenie bariery pomiędzy metalem a półprzewodnikiem znacząco poprawia efektywność wstrzykiwania spinu. Spiny w materiale niemagnetycznym Jednym z ważnych właściwości materiałów spintronicznych jest to, że uporządkowanie spinów w materiale niemagnetycznym nie może zbyt szybko zanikać. W zależności od materiału i temperatury, odległość ta jest rzędu od kilku do kilkuset nm (np. 700 nm w Ag w 77 K, a 10 nm w Pt w 77 K) 8. 8 T. Kimura et al. Phys Rev B (2005), T. Kimura et al. Phys Rev Lett (2006), T. Kimura et al. Phys Rev Lett (2007) λ Cu ( µ m) T (K) 23

24 Manipulowanie spinem Orientację spinów można zmienić: poprzez oddziaływanie z polem magnetycznym - ale jest to energochłonny sposób; poprzez oddziaływanie ze światłem spolaryzowanym 9 ; poprzez oddziaływanie ze zmiennym polem elektrycznym 10 ; 9 J. Berezovsky et al.. Science, 320 (2008), K. C. Nowack et al. Science, 318, (2007)1430 Urządzenia spintroniczne Urządzenia spintroniczne można podzielić na dwie grupy: tradycyjne(urządzenia wykorzystujące gigantyczny magnetoopór i tunelowy magnetoopór); nowe; obecnie (Nature Materials, May 2012) wymienia się pięć nowych kierunków badań: current-induced torque (CIT) manipulowanie spinem poprzez prąd; Spinowy efekt Halla; Kalorytronika; Spintronika krzemowa Grafen i izolatory topologiczne 24

25 TRADYCYJNA (!) SPINTRONIKA Gigantyczny magnetoopór Układy warstwowe złożone z naprzemiennie ułożonych cienkich warstw metalu magnetycznego i niemagnetycznego, w zależności od orientacji namagnesowania w warstwach magnetycznych mają albo duży, albo mały opór. Fe Cr Fe Cr Nagroda Nobla 2007: Peter Grünberg, Jülich i Albert Fert, Paris 25

26 Gigantyczny magnetoopór Zjawisko odkryte w 1988 w multiwarstwach Fe/Cr sprzężonych antyferromagnetycznie (MR=79% w T=4.2K i 20% w temperaturze pokojowej) M.Baibich, J.Brote, A.Fert, F.Nguyen Van Dau, F.Petroff, P.Etienne, G.Greuzet, A.Friederich and J.Chazelas, Phys.Rev.Lett 61, 2472 (1988) Gigantyczny magnetoopór Opór układów wielowarstwowych złożonych z magnetyka przedzielonego warstwą niemagnetyka silnie zależy od pola magnetycznego. 26

27 Gigantyczny magnetoopór Źródłem fizycznym GMR jest zależność rozpraszania elektronów od spinu. Elektrony o danej orientacji spinu są silnie rozpraszane w warstwie o pewnym kierunku namagnesowania, a słabo w warstwie o przeciwnym namagnesowaniu. Gigantyczny magnetoopór Warstwy namagnesowane przeciwnie: duży opór Warstwy namagnesowane zgodnie: mały opór Różnica oporów może sięgać kilkadziesiąt procent. 27

28 Gigantyczny magnetoopór Gdy prąd płynie równolegle do warstw, jest podobnie: układ ma mały opór, gdy warstwy są namagnesowane zgodnie, a duży gdy są namagnesowane przeciwnie. Gigantyczny magnetoopór GMR występuje również, w różnych innych geometriach. Warunek, który musi być spełniony: Warstwy niemagnetyczne muszą być wąskie (węższe niż droga swobodna elektronu). Schematic representation of the array of nanowires in an insulating polymer matrix 28

29 Tunelowy magnetoopór Analogiczne zjawisko zachodzi, gdy dwie warstwy ferromagnetyczne są oddzielone od siebie cienką warstwą izolatora. Tunelowanie zachodzi zazwyczaj bez zmiany orientacji spinu. Większość elektronów na poziomie Fermiego (te głównie tunelują) ferromagnetyka ma jeden kierunek spinu, zatem prąd tunelowy jest spolaryzowany pod tym względem. Opór złącza tunelowego też zależy od tego, czy ferromagnetyczne warstwy są namagnesowane zgodnie, czy przeciwnie. Tunelowy magnetoopór W złączu z MgO jako barierą magnetoopór wynosił 230% W 2005 roku Djayaprawira et al, Appl. Phys. Lett., Feb.(2005) 29

30 Tunelowy magnetoopór GMR i TMR Jeśli będziemy umieli sterować namagnesowaniem, to będziemy mieć urządzenie spintroniczne: tzw zawór spinowy (spin valve). 30

31 Zawór spinowy Zewnętrzne pole magnetyczne zmienia kierunek namagnesowania tylko jednej warstwy, druga, ma namagnesowanie stałe (albo jakoś zakotwiczone poprzez podłoże, albo duża koercja) pole zewnętrzne zmienia względną orientację namagnesowania warstw. Zastosowania GMR i TMR Pomiar pola magnetycznego; Detekcja położenia; Głowice twardych dysków; MRAM 31

32 Pomiar pola i detekcja położenia Oba zastosowania bazują na wpływie pola magnetycznego na rezystancję sensora GMR lub TMR. Detekcja położenia - Sensor mierzy zmianę pola magnetycznego związaną z przemieszczeniem czegoś, co wytwarza znane pole. Np. magnes na wale silnika spalinowego (obecnie stosuje się sondy hallowskie). Głowice GMR, TMR (od 1997) R/R=kilkadziesiąt %, co dało 1 Gb/cal 2 w 1997 roku, a 600 Gb/cal 2 w Obecnie (październik 2012) 1.5 Tb/cal

33 Głowice GMR: wymagania materiałowe Lubricant ~ 20 Å Carbon overcoat ~ 70 Å Top magnetic layer ~ 100 Å Spacer layer ~ 0-20 Å Bottom magnetic layer ~ 100 Å Intermediate layer ~ 50 Å Under layer ~ 100 Å Seed layer ~ 100 Å Substrate Jako magnetyk stosuje się np. CoCrPtTa, CoCrPtB Magnetyk o małym ziarnie krystalicznym Przekrój przez materiał głowicy MRAM Każda komórka pamięci jest złączem tunelowym (TMR). W zależności od tego, czy warstwy magnetyczne są namagnesowane zgodnie, czy przeciwnie, złącze jest w stanie o lub 1 (wysoka lub niska rezystancja oznacza stany 1 lub 0). 33

34 MRAM Zmiana stanu z 0 na 1 (zapis) następuje za pomocą pola magnetycznego. Odczyt następuje poprzez sprawdzenie,czy złącze jest w stanie 0, czy 1 (czy złącze ma duży,czy mały opór) przepływ prądu. CIT Ogólnie rzecz biorąc, skoro namagnesowanie warstw magnetycznych wpływa na elektrony płynące przez strukturę GMR lub TMR, to prąd elektronów musi wpływać na namagnesowanie tych warstw. To zjawisko zostało po raz pierwszy teoretycznie zaproponowane w pracy Slonczewski, J. C. Currentdriven excitation of magnetic multilayers. J. Magn. Magn. Mater.159, L1 L7 (1996). 34

35 CIT A. Brataas et al. NATURE MATERIALS VOL 11 MAY ST MRAM W ST MRAM namagnesowanie warstw magnetycznych jest zmieniane prądem płynącym przez złącze, a nie polem magnetycznym. T. Kawahara, R. Takemura, K. Miura, J. Hayakawa, S. Ikeda, Y.M. Lee, R. Sasaki, Y. Gotot, K. Ito, T. Meguro, F. Matskura, H. Takahash, H. Matsuoka and H. Ohno, 2 Mb SPRAM (Spin-Transfer Torque RAM) with bit-by-bit bi-directional current write and parallelizingdirection current read, IEEE J Solid-State Circuits, 43, 109 (2008). 35

36 ST MRAM Zapis: większy prąd; Odczyt: mniejszy prąd, który nie jest w stanie zmienić stanu namagnesowania; zasada taka sama jak w konwencjonalnym MRAM bazującym na GMR lub TMR. Spin polarized current produces torque to reverse free layer. I sw I sw < 1 ma/bit for 0.06 µm x 0.12 µm bit. reduces as bit scales smaller. SPINOWA KALORYTRONIKA 36

37 Kalorytronika Strumień ciepła oddziałuje z prądem spinowym. Kalorytronika dziedzina związana z nierównowagowymi zjawiskami dotyczącymi transportu spinu, ładunku entropii i energii w strukturach magnetycznych, Np. zależne od spinu zjawiska Seebecka, Peltiera, przewodność cieplna, nowo odkryte spinowe zjawisko Seebecka (2010) itd. Zależne od spinu zjawisko Seebecka Zjawisko obserwowane w układzie zaworu spinowego siła termoelektryczna zależy od tego, czy układ jest namagnesowany równolegle, czy antyrównolegle. Tutaj pojawia się gradient temperatury wskutek rezystywnego ogrzewania ferromagnetyka FM1. Wskutek gradt pojawia się dodatkowy prąd spinowy wstrzykiwany do materiału niemagnetycznego 37

38 Zależne od spinu zjawisko Peltiera Zjawisko zaobserwowano w układzie jak na rysunku Pojawia się strumień ciepła wywołany prądem spinowym Inne urządzenia spintroniczne. Tranzystor, dioda świecąca, dioda tunelowa,.. 38

39 Inne urządzenia spintroniczne Głównym celem spintroniki jest tranzystor spinowy (działający w temperaturze pokojowej i możliwy do zastosowań na dużą skalę). Polowy tranzystor polowy został zaproponowany przez S. Dattę i P. Dasa już w 1990 roku 11. Od tamtej pory zaproponowano wiele pomysłów na jego realizację. Żaden jeszcze nie jest wystarczająco dobry. Istnieje wiele doniesień na temat różnych innych urządzeń spintronicznych (nawet na temat spinowego ogniwa fotowoltaicznego). 11 S.Datta and B.Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990). Spinowy tranzystor polowy Ferromagnetyk Bramka Ferromagnetyk Modulation Doped AlGaAs B InGaAs 2DEG Idea działania zaproponowana przez S. Dattę i P. Dasa: Elektrony o danym kierunku spinu wstrzykiwane są z metalu ferromagnetycznego. Jeśli ich prędkość jest wystarczająco duża, to pole elektryczne bramki powoduje obrót kierunku spinów to z kolei wpływa na prąd (tzn napięcie bramki może spowodować zamknięcie kanału). 39

40 Spinowy tranzystor polowy Przykład: Nanorurka węglowa umieszczona pomiędzy dwoma ferromagnetykami zorientowanymi przeciwnie jest pojemnościowo sprzężona z bramką (Si). Pole elektryczne bramki zmienia orientację spinów elektronów w rurce. H. T.Man et al., Phys. Rev. B 73, (2006). Nowości:

41 IBM claims spintronics memory breakthrough Problem spintroniki: orientacja spinu w materiale niemagnetycznym zanika w czasie nie dłuższym niż100 ps to jest za krótki czas dla komputerowych działań. Naukowcy z Zurichu ogłosili, że potrafią zsynchronizować spiny elektronów w czasie około 1,1 ns. sierpień 2012 Podsumowanie Sterowanie spinem wymaga mniejszej energii oraz krótszego czasu niż sterowanie ładunkiem; Możliwość integracji funkcji procesora i pamięci; Dalsza miniaturyzacja; Najnowsze kierunki rozwoju spintroniki 3 : wstrzykiwanie i manipulowanie spinem; spintronika półprzewodnikowa; spintronika molekularna; spintronika jedno-elektronowa 3 Albert Fert, Reviews of Modern Physics, 80, October December