Spintroonika

Spintroonika (ka spinntroonika) ehk spinnelektroonika on teadusharu, mis uurib elektronide elektrilaenguid, spinne ja nendega seotud magnetmomente. Avastatud omadusi loodetakse kasutada tahkistel põhinevates elektroonikaseadmetes.^[1][2]

Spintroonika erineb vanemast magnetelektroonikast selle poolest, et spinnidega manipuleeritakse nii magnet- kui ka elektriväljades.

Ajalugu

Spintroonika sai alguse 1980. aastatel tahkiselektroonikaseadmetes spinnist oleneva elektronide liikumise nähtuste uurimisel. Märkimist väärib Johnsoni ja Slisbee (1985) töö spinn-polariseeritud elektronide injektsiooni jälgimisel ferromagnetilisest metallist normaalsesse metalli.^[3] 1988. aastal avastasid Albert Fert ja Peter Grünberg teineteisest sõltumatult hiiglasliku magnettakistuse.^[4][5] Enne seda, 1970. aastatel, uurisid Meservey ja Tedrow spintroonilisi efekte ferromagnetites ning ülijuhtides aset leidvat tunnelleerumist, lisaks katsetas Juliere magnettunnelristmikega.^[6] Pooljuhtide kasutuselevõtt spintroonikas algas elektrilise dipooli spinnresonantsi uuringutega 1960. aastatel Rashba poolt^[7] ning 1990. aastal Datta ja Dasi tehtud teoreetilise ettepanekuga ehitada spinni kasutav väljatransistor.^[8]

Teooria

Elektroni spinn on elektronisisene impulsimoment, mis eristub elektroni orbitaalsest impulsimomendist. Spinni projektsioon mööda suvaliselt valitud telge on ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\hbar }$, mis tähendab, et elektron käitub vastavalt Fermi-Diraci statistikale nagu ka fermionid. Lisaks orbitaalsele impulsimomendile on ka spinn seotud magnetmomendiga, mille projektsiooni on kirjeldatud kui

${\displaystyle \mu ={\tfrac {\sqrt {3}}{2}}{\frac {q}{m_{e}}}\hbar }$.

Tahkises võivad mitmete elektronide spinnid interakteerudes ja/või välises väljas koos käitudes muuta materjali elektrilisi või magnetilisi omadusi, näiteks andes neile jääva magnetmomendi ning niiviisi tekitades ferromagnetilisi materjale.

Mitmetes materjalides on elektronide spinnid võrdselt nii "üles" kui ka "alla" olekus, millest tulenevalt pole materjali omadused spinnide orienteeritusest sõltuvad. Spintroonikaseade vajab mingis eelissuunas polariseeritud spinnidega elektronide populatsiooni genereerimist või olemasoleva elektronide pilvega manipuleerimist, et tekiks liiaga kas "üles" või "alla" suunatud spinniga elektrone ehk koguspinni omav elektronide kogum. Iga spinnist sõltuva materjali X polarisatsioon on kirjeldatud kui 

${\displaystyle P_{X}={\frac {X_{\uparrow }-X_{\downarrow }}{X_{\uparrow }+X_{\downarrow }}}}$

Koguspinnile kindla oleku andmine on saavutatav, kui jaotada kogu energia "üles" ja "alla" suunatud spinnidega elektronide vahel, mille juures peaks saavutama energeetilise tasakaaluasendi. Vastavad meetodid hõlmavad materjali mõjutamist tugevas magnetväljas (Zeemani efekt), ferromagneetiku vahetusenergia abil polarisatsiooni muutmist ja süsteemi tasakaaluasendist väljaviimist. Ajavahemik, mille jooksul mingi kindla koguspinniga olekut on võimalik hoida, on tuntud kui spinni eluiga ${\displaystyle \tau }$.

Pooljuhis on spinni difundeerumise pikkus ${\displaystyle }$${\displaystyle \lambda }$ defineeritud kui teepikkus materjalis, läbi mille suudab kindla koguspinniga elektronpilv polarisatsiooni säilitades levida. Metallides leiduvate juhtivate elektronide spinnide eluiga on suhteliselt lühike (alla 1 ns). Terve uurimisvaldkond on pühendatud selle eluea pikendamisele materjalides ajavahemikeni, mis võimaldaksid tehnoloogiliselt kasulike materjalide arendustööd.

Kindla polarisatsiooniga ehk "üles" (spin up) ja "alla" (spin down) elektronide osakaal (population percentage) materjalis vastavalt kokkuleppelisele kaugusele (arbitrary distance) elektronide allikast (katood, injektor).  Joonis illustreerib situatsiooni, milles "ülespidi" spinnidega elektronide hulk ületab oluliselt "allapoole" suunatud spinnidega elektronide arvu ja seetõttu on materjal spinnpolariseerunud, s.t. "ülespoole" suunatud elektronid on enamuses. 

Koguspinn võib "hajuda" ehk materjalis kaduda peamiselt kahel erineval põhjusel. Orienteeritus võib muutuda tahkistes, mis ei suuda seda koguspinni säilitada, mistõttu võib injekteeritud elektronivoo koguspinni "ühtepidi" suunatud olek muutuda eelisorientatsioonita olekuks. Spinni defaseerumiseks võib nimetada protsessi, kus polariseeritud elektronide pilv muutub üksikute elektronide spinnide individuaalsete pretsessioonide tõttu vähem polariseerituks. Kinnistes ehk piiratud dimensioonidega kontuurides saab spinni defaseerumist aeglustada ning seeläbi madalatel temperatuuridel tõsta koguspinni eluiga näiteks pooljuhtide kvanttäppides millisekunditeni.

Ülijuhid võivad võimendada keskseid efekte spintroonikas, näiteks magnetresonantsi, spinni eluiga ja kadudeta spinnvoole.^[9][10]

Metallidel põhinevad seadmed

Lihtsaim meetod spinnpolariseeritud voolu tekitamiseks metallis on lasta elektrivoolu läbi kihilise ferromagnetilise materjali. Kõige tavalisem selle meetodi kasutusviis on hiiglasliku magnettakistuse seadmetes (Giant Magnetorresistance, GMR). Tavaline GMR seade koosneb vähemalt kahest ferromagneetiku kihist, mis on omavahel eraldatud dielektrikukihiga. Kui mõlemas kihis summaarsed magnetvektorid on samasihilised, siis elektriline takistus on suhteliselt väike (suurem vool püsib konstantse pinge juures) võrreldes olukorraga, kus ferromagneetikute magnetvektorid ei ole samasihilised. Seletada võib seda lühidalt sellega, et kummastki samasuunaliselt orienteerunud spinnidega magnetkihist pääseb läbi elektrivool, mille kandjaks on vastassuunalise spinniga elektronide koguvoog. Need kanduvad läbi materjali juhtivusstsooni, sest ühel diskreetsel energianivool võivad "voolata" kaks vastassuunalise spinniga fermioni, s.t elektroni. Kihilise struktuuri kogujuhtivus on sel juhul suhteliselt kõrge ehk elektritakistus väike. Kui kaks üksteise peale sadestatud magnetkihti on aga polariseeritud vastassuundades, siis ei pääse läbi esimese kihi endiselt need elektronid, mille spinnid on samasuunalised kihi koguspinniga, ja läbi teise kihi lisaks need elektronid, mille spinnid olid küll vastassuunas esimese kihi koguspinniga, aga edasi samas suunas teise kihi juhtivusstsooni elektronide spinnidega. Kuna kahte samasugust fermioni ühel energianivool eksisteerida ei saa, siis kihi takistus tõuseb märgatavalt, kui kihi ühes või teises komponendis on eelpolarisatsioon, mis blokeerib poole spinnpolariseeritud elektrivoolu materjalist läbiminekust. Nii saab luua näiteks erinevaid magnetsensoreid. 

Erinevates seadmetes on kasutusele võetud kahte tüüpi GMR rakendusi: esiteks pindvoolu rakendused (CIP, current-in-plane), kus elektrivool voolab paralleelselt kihtidele, ning teiseks ristvoolurakendused (CPP, current-perpendicular-to-plane), kus elektrivool voolab kihtidega risti.

Muud metallidel põhinevad spintroonika seadmed töötavad, kasutades järgmisi tahkisfüüsikalisi nähtusi:

• tunnelleerumisest tingitud magnettakistus, kus CPP transport saavutatakse elektronide tunnelleerumisel läbi ferromagneetikuid eraldava dielektrikukihi;
• spinnimomendi ülekanne, kus kasutatakse polariseeritud spinniga elektronide voogu, et kontrollida seadme elektroodide magnetiseerituse suunda;
• spinnlainel põhinevad loogikaseadmed, milles informatsiooni kannab laine faas. Laine interferentsi ja hajumist uurides saab läbi viia loogikaoperatsioone.

Spintrooniline loogikaseade

Suuremahuliste arvutuste võimaldamiseks uuritakse spinnloogikaseadmeid ja võimalusi ehitada nende baasil arvutimälusid.^[11] Välja on pakutud ideid spinnedastusel põhinevate loogikaseadmete konstrueerimiseks.^[12][13] Need seadmed kuuluvad "Rahvusvahelise pooljuhttehnoloogia teekaardi" ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) arenguplaani. Magnetmälude rakendusviisid loogikalülitustes on juba arendusjärgus.^[14][15]

Rakendused

Kõvaketaste lugemispead põhinevad gigantse magnetotakistuse (GMR) ja magnetotunneltakistuse (Tunnel magnetoresistance, TMR) nähtustel.

Motorola arendas välja esimese põlvkonna 256 kB magnettakistava muutmälu (Magnetic Random Access Memory, MRAM), kasutades ühes mälurakus ühte magnettunnelristmikku ja ühte transistorit, millel oli kirjutamis- ja lugemistsükli pikkus alla 50 nanosekundi.^[16] Everspin Technologies on sellest alates arendanud välja 4 MB versiooni. Kaks teise põlvkonna MRAMi lahendust on praegu arendustöös: termoreguleeritud lülitamine (Temperature Assisted Switching, TAS)^[17] ja spinni "väändlülituslikul" ülekandel (Spin Transfer Torque, STT) põhinevad tunnelsiirded.^[18]

 Veel ühe alternatiivse disainina on võimalik kasutada ära niinimetatud domeeniseinamälu, mis kodeerib informatsiooni magnetvektori suunas ferromagnetilises traadis tekkivate domeenide seinte vahel.^[19]

2012. aastal suudeti elektronide sünkroonitud spinne säilitada kauem kui nanosekundiks, millega ületati varasemad saavutused kolmekümnekordselt, see ajavahemik on samuti pikem kui tänapäevase protsessori töötsükli takti pikkus.^[20]

Pooljuhtidel põhinevad spintroonikaseadmed

Dopeeritud pooljuhtmaterjalides avalduvad pehmed ferromagnetilised omadused. Viimastel aastatel on lähemalt uuritud pehmelt magneetuvaid dopeeritud magnetilisi metallioksiide (Diluted Magnetic Oxides, DMO), sealhulgas tsinkoksiidil (ZnO) ning titaanoksiidil (TiO₂) põhinevaid ühendid.^[21][22]

 Spinni tuvastamiseks pooljuhtides on kasutusel mitmeid meetodeid:

• Faraday või Kerri pööre edastatud või peegeldatud footonitele;^[23]
• elektroluminestsentsi käigus eralduva valguse analüüs ringpolarisatsiooni abil;^[24]
• spinnventiil (kohandatud versioon Johnsoni ja Silsbee tööst metallidega);^[25]
• ballistiline spinni filtreerimine.^[26]

Viimast meetodit kasutati ületamaks spinni-orbitaalse vastastikmõju nõrkusest tingitud probleeme ning materjalides tekkinud vajadust tekitada eelistatud koguspinniga elektronide transport ränis.^[27]

Välised magnetväljad ja juhuslikud väljad magnetkontaktidest võivad põhjustada suurt Hall'i mõju ning magnettakistust pooljuhtides, mis matkivad spinnventiili toimimist. Ainuke tõestus kindla spinniga elektronide liikumisest pooljuhis on spinni pretsessiooni ja selle magnetväljas toimuva hajumise demonstratsioon, kui spinni orientatsioon ei kattu välja omaga. Seda nähtust nimetatakse Hanle mõjuks.^[28]

Rakendused

Rakendamaks spinnpolariseeritud elektrilist siiret, on tulnud vähendada signaali ümberlülitamiseks vajalikku voolutugevust ning luua koherentse, kontrollitava ringpolariseeritud valguse väljund.^[29] Näiteks pooljuhtlaserite tulevased rakendused võivad sisaldada spinni kasutavaid transistore, mille eeliseks tavalisi pooljuhtväljatransistore (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) kasutavate seadmete ees on kõrgem kriitiliste lekkevoolude piir.

Magnet-tunneltransistoril (MTT), millel on üks baaskiht, on järgmised viigud:^[30]

• emitter: sellest injekteeritakse polariseeritud spinnidega kuumad elektronid transistori baasi;
• baas: spinnist ja selle pretsessioonist sõltuv hajumine toimub baasil, samuti täidab baas spinnide sorteerimise ülesannet;
• kollektor (GalliumArseniidist): liitekohas on moodustatud Schottky barjäär pooljuht kollektori ja metallist paisuelektroni vahele. Seetõttu kogutakse ainult elektronid, millel on piisavalt energiat, et ületada Schottky barjäär, ja kui pooljuhis on vastavalt vastassuunaliste spinnidega olekud vabad.

Kui magnetovool (Magnetocurrent, MC) on toodud järgmiselt:

${\displaystyle MC={\frac {I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}}}$

ja ülekande suhe (Transfer Ratio, TR) on

${\displaystyle TR={\frac {I_{C}}{I_{E}}}}$,

siis MTT lubab teoreetiliselt luua väga usaldusväärset polariseeritud spinnidega elektronide allikat toatemperatuuril.

Andmekandjad

Antiferromagnetilisi andmekandjaid on uuritud alternatiivina ferromagnetilistele^[31] eriti seetõttu, et antiferromagnetilises materjalis on bitte võimalik säilitada sama hästi kui ferromagnetilises materjalis. Selle asemel, et kasutada tavalist määratlust 0-> "magnetvektor ülespoole", 1 -> "magnetvektor allapoole", võivad olekud olla 0 -> "vertikaalselt vahelduv spinni olek" ja 1 -> "horisontaalselt vahelduv spinni olek".^[32]

Antiferromagnetilise materjali peamised eelised on

• tundetus suvaliste ehk nn "eksinud" väljade mõjutustele,
• palju lühemad lülitamise ajad,
• ei mõjuta lähedal asuvaid osakesi.

Vaata ka

• Elektrilise dipooli spinntakistus
• Magnonics
• Rashba mõju
• Spinni pumpamine
• Spinni ülekanne