Перспективы развития спинтроники

Перспективы спинтроники выглядят вполне обнадеживающими. Есть понимание того, в каких направлениях надо двигаться, уже созданы прототипы функционирующих устройств, хотя до массового производства большинства из них еще очень далеко. Существует немало научных и технических проблем, которые еще только предстоит решить. Например, для намагничивания элементов спинтроники необходимы сильно локализованные в пространстве магнитные поля, которые способны осуществить намагничивание объектов нанометровых размеров. Чем выше степень локализации магнитного поля, тем более высокую плотность информации можно реализовать при записи ее на магнитный носитель, и тем меньше энергии для этого потребуется.. Если создавать магнитные поля с помощью электрического тока, как это делается в настоящее время, то возникает множество проблем с изготовлением «магнитной головки» для записи и чтения информации в элементах памяти.

Относительно недавно в результате совместно проведенных исследований в Лабораторий физики твердого тела в Цюрихе (Швейцария) и в Стэнфордском университете (США) было экспериментально установлено, что намагничивание вещества можно осуществить, используя для этого пучок электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин-поляризованы). Для формирования пучка ученые облучали полупроводниковый катод поляризованным светом, в результате чего возникала фотоэмиссия электронов с определенной ориентацией спина. Этот пучок пропускался через объект, представляющий собой магнитную пленку толщиной несколько нанометров. У прошедших через объект электронов спин в результате прецессии заметно изменялся. Исходя из фундаментальных физических законов сохранения, можно сделать вывод, что и спины электронов в магнитной пленке также изменились, т. е. происходит намагничивание вещества.

Если число пролетевших через объект электронов сравнимо с количеством атомов вещества в объекте, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметным. Эффект этот может быть использован как для записи информации, так и для ее считывания. Разумеется, что интенсивность пучка электронов при записи должна быть выше, чем при чтении. Использование электронных пучков для записи/чтения информации на магнитный носитель может обеспечить очень высокое быстродействие элементам памяти, использующим данную технологию.

Большие надежды ученые связывают с новыми материалами для спинтроники, в частности, с магнитными полупроводниками. Для изготовления устройств спинтроники нужны ферромагнетики, свойства которых и обеспечивают функционирование спинтронных устройств, использующих разнообразные спиновые эффекты. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют, например, усиливать или модулировать электрический ток в транзисторах – металлы такую функцию обеспечить не могут. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, являющийся полупроводником. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, способны быть источниками спин-поляризованных электронов, а с другой стороны – их можно легко интегрировать в традиционные полупроводниковые устройства.

Учеными Северо-Западной Тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан магнитный полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде пленок нанометровой толщины методом молекулярно-лучевой эпитаксии. По своим свойствам полученный материал является исключительно перспективным материалом для создания новых спинтронных устройств. Другой интересный материал для спинтроники – эпитаксиальная пленка из чередующихся слоев GaSb и GaMn. Магнитные свойства полученной пленки сохраняются вплоть до 130 °С, что вполне достаточно для применения их в устройствах спинтроники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических материалов. И здесь есть интересные открытия. В Калифорнийском университете (США) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62 °С вещество из прозрачного в ИК-диапазоне изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например, фотоники.

В университете штата Огайо был исследован пластик – тетрацианоэтанид ванадия. Несмотря на свою органическую природу, он имеет и магнитные свойства, сохраняющиеся вплоть до 130 °С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволит в будущем создавать дешевую пластиковую память. В перспективе спинтроника позволит осуществлять обработку и хранение информации в рамках одних и тех же устройств, что приведет как к росту быстродействия, так и к снижению энергопотребления. Создание быстродействующей энергонезависимой памяти MRAM поможет создавать компактные устройства, сочетающие большое время автономной работы с высокой производительностью. Интеграция достижений электроники и спинтроники может значительно продлить жизнь закону Мура и раскрыть новые горизонты в развитии современных компьютеров.