Лекция 23.

Основы спинтроники

Вопросы для рассмотрения:

1. Спин электрона

2. Приборные структуры спинтроники

3. Квантовые компьютеры

Как известно, спин электрона — это специфическое свойство электрона, присущее ему наравне с массой порядка 10^–31кг и зарядом порядка 10^–19Кл. Спин — это момент импульса электрона на некоторую осьZ, т.е. проекция на эту ось какого-то движения электрона относительно нее. Фактически электрон как бы вращается вокруг этой оси наподобие вращения Луны вокруг Земли. При этом электроны могут иметь две одинаковые проекции, но с разными знаками. Следовательно, различаются электроны с проекцией спина связанной с движением электрона относительно осиZпо часовой стрелке и с проекцией спина связанной с движением электрона относительно осиZпротив часовой стрелки. В первом случае спин электрона направлен по оси, во втором — против. В любом энергетическом состоянии могут находиться два электрона, но обязательно с разными спинами.

Количественно движение электрона в магнитных полях описывается с помощью магнетона Бора

.

Величина получила наименование гиромагнитного отношения для электрона. Частное от деления магнетона Бора на гиромагнитное соотношение и составляет значение спина электрона

.

Учет того, что спин может иметь две разные проекции дает

.

Известно, что все вещества по влиянию на них магнитного поля можно разделить на парамагнетики, на диамагнетики и на ферромагнетики. Диамагнетики — это вещества, которые под действием магнитного поля очень слабо намагничиваются в направлении противоположном магнитному полю. Парамагнетики очень слабо намагничиваются в направлении магнитного поля, тогда как ферромагнетики очень сильно намагничиваются в направлении магнитного поля. Экспериментальные результаты показали, что через намагниченный ферромагнетик могут проходить электроны со спином, направленным в ту же сторону, куда намагничен ферромагнетик. Электроны же с противоположным спином через данный ферромагнетик не проходят. На этом факте и основаны все структуры спинтроники.

На рис. 1 приведена схема элемента памяти, построенного на спинтронном эффекте. Информация (заряд электронов) записывается во втором ферромагнетике. Первый и третий служат изоляторами, не позволяющими рассеиваться информации. Запись осуществляется путем подачи в течение какого-то времени (времени записи) одинаковых по направлению, но слабых магнитных полей B₁иB₂и противоположного им поляB₃ на соответствующие ферромагнетики при одновременной подаче тока на входную шину. После этого устанавливается полеB₁одинаково направленное сB₃и противоположноеB₂. На ферромагнетике 2 накопились электроны с определенным спином и они не могут уйти с него, так как рядом находятся ферромагнетик 1 и ферромагнетик 3 с другим направлением намагниченности, не совпадающей с направлением спина электронов. Обнуление информации осуществляется аналогично, только теперь одинаково направлены поляB₂иB₃.

По такому же принципу работают и полевые транзисторы на спинтронном эффекте. Ферромагнетики 1 и 3 являются истоком и стоком транзистора и они всегда намагничены одинаково и постоянно. Ферромагнетик 2 является проводящим каналом. Путем подачи на него поля B₂с разным направлением можно варьировать проводимость канала и добиваться разного значения тока.

Основной недостаток приборов спинтроники — использование разных источников переменного магнитного поля и создание активных областей, соответствующих различным ферромагнетиком, с быстрым реагированием на переключение магнитного поля. В результате очень непросто создать области с малыми размерами, а в случае получения таких ферромагнитных областей — очень не просто изолировать их от влияния не своих полей. Например, подавая B₁на ферромагнетик 1 мы частично влияем и на ферромагнетик 2, зачастую не позволяя переключиться ему в нужное состояние. Чтобы избежать таких паразитных переключений нужно создавать очень сложные изолирующие конструкции, что заметно увеличивает размеры элементов и самих приборных структур.

Рис. 1. Элемент памяти спинтроники