Электроника, похоже, собирается поразить нас новыми достижениями. Но выступая не в своем, так сказать, классическом амплуа, а вкупе со спином — магнитным моментом электрона. Спиновая электроника, или спинтроника, — относительно молодая, многообещающая область современной физики, открывающая невиданные перспективы перед наукой и практикой. Недавно мы упоминали о работах в этой области в материале, который знакомил с некоторыми исследованиями ученых Института физики им. Л.В.Киренского СО РАН (“Поиск” №1-2, 2014). Сегодня его директор доктор физико-математических наук Никита ВОЛКОВ более подробно рассказывает о вкладе сотрудников института в изучение возможностей спинтроники.
— Высокотехнологические отрасли промышленности развиваются стремительно, и новые задачи уже не всегда удается решить средствами “классической электроники”, — замечает Никита Валентинович. — Это стимулирует поиск принципиально иных подходов в области хранения, обработки, передачи информации. Необходимо расширить функциональные возможности существующих устройств и создать более современные, работающие на новых физических принципах. Исследования ведутся в разных направлениях, в том числе в сверхпроводниковой и молекулярной электронике, фотонике.
Одно из бурно развивающихся направлений — спинтроника, где активный элемент — не только заряд электрона, но и его спин. Это мультидисциплинарная область науки и техники, ее центральная тема — спин-зависимый электронный транспорт в твердых телах, микро- и наноструктурах. Раздел охватывает интереснейшие фундаментальные и прикладные вопросы по созданию принципиально новых электронных устройств, основанных на возможности манипулировать спиновыми степенями свободы носителей заряда. Такие характеристики наиболее ярко и порой неожиданным образом проявляются, прежде всего, в наноразмерных магнитных структурах (спинтроника в силу ряда причин фундаментального характера неразрывно связана с нанотехнологиями).
Магнитные структуры (их также называют спин-вентильными) — это, в первую очередь, многослойные пленки с чередующимися ферромагнитными и немагнитными металлическими слоями. К ним относят и ферромагнитные металлические пленки, разделенные тонким слоем диэлектрика — так называемые магнитные туннельные структуры (в случае, если диэлектрик достаточно тонкий, электроны могут туннелировать через него).
Сфера спинтроники обширная, но прежде, чем продолжать разговор дальше, следует упомянуть о двух уникальных явлениях, тесно связанных с ней, — гигантском и туннельном магнитосопротивлениях. В основе того и другого — различие в электросопротивлении структур с параллельным и антипараллельным (направленным в противоположную сторону) расположением намагниченностей ферромагнитных слоев. На этом принципе созданы первые устройства спинтроники, они уже серийно выпускаются и успешно работают в качестве считывающих головок магнитной записи и элементов магнитной оперативной памяти.
Есть еще одно интересное явление, связанное с протеканием спин-поляризованного тока через наноструктуры. Такой ток образуется в случае, когда спины электронов выстроены в одном направлении, например, при протекании через ферромагнетик. Он может влиять на локальные магнитные моменты в наноструктурах (эффект “переноса спина”), изменяя их ориентацию. То есть появляется возможность манипулировать магнитным состоянием, используя поляризованный по спину транспортный ток.
Эффект “переноса спина” может вызвать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика. В результате возникает излучение СВЧ-волн, частотой которых можно управлять с помощью тока и магнитного поля. По сути, речь идет о возможности создания генераторов сверхвысоких частот, работающих на абсолютно новых принципах.
Механизм переноса спина “ответственен” и за обратный эффект — генерацию постоянного напряжения на магнитной туннельной структуре при воздействии СВЧ-излучения. И опять речь о принципиально новом механизме, на этот раз детектирования. Однако о внедрении таких устройств говорить рано, нужно решить много технологических и фундаментальных задач.
Эти примеры показывают, что спинтроника стала самостоятельным направлением и имеет огромный потенциал для практических приложений.
— Сколько же лет ушло на ее “взросление”?
— Самое первое предположение о зависимости проводимости от спинового состояния электронов было сделано английским физиком Невиллом Моттом еще в 1936 году. В 1967-м американец Стефан вон Молнар для структуры “немагнитный металл — ферромагнитный диэлектрик — немагнитный металл” продемонстрировал эффект спиновой фильтрации, при котором ток электронов с одним направлением спина может намного превосходить ток с противоположным направлением спина.
Первые эксперименты по исследованию магнитных туннельных переходов “ферромагнитный металл — диэлектрик — ферромагнитный металл” выполнил в 1975 году французский ученый Мишель Жульер. Величина эффекта была небольшой, и наблюдался он только при низких температурах.
Годом же рождения спинтроники следует считать 1988-й, когда группы ученых-физиков Питера Грюнберга (Германия) и Альберта Ферта (Франция) независимо друг от друга открыли эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных пленках. Именно с этого времени начались интенсивные фундаментальные исследования спин-зависимых явлений, стал очевидным их огромный прикладной потенциал. Хотя сам термин “спинтроника” был введен в обиход Стюартом Вольфом из США позже, в 1996-м, для названия материалов и устройств, работа которых основана на использовании спиновых степеней свободы электронов.
Бурный же рост спинтроники связан с высокими темпами развития нанотехнологий, возможностью получать качественные многослойные структуры, формировать необходимую топологию с применением методов нанолитографии.
— А как давно ученые вашего института заинтересовались этой темой?
— Получением и исследованием тонких магнитных пленок в институте начали заниматься еще в 1960-х годах. Именно тогда был заложен фундамент работ в области спинтроники, которые ведутся сейчас. Среди основных задач — разработка технологии получения новых многослойных магнитных наноструктур. Это структуры с заранее заданным магнитным состоянием. Есть возможность эффективно управлять таким состоянием, что очень важно для практического применения магнитных многослойных структур.
В институте интенсивно развивается такое направление исследований, как спин-зависимые электронные явления в гибридных структурах. Эти структуры представляют собой различные комбинации немагнитных полупроводниковых и ферромагнитных элементов. Они объединяют огромный потенциал “классической” полупроводниковой электроники и потенциал магнитных материалов. Функциональные возможности гибридных структур могут существенно расшириться и даже предстать в принципиально новом качестве благодаря использованию наряду с зарядом спиновых степеней свободы. Мы занимаемся структурами типа “ферромагнетик — полупроводник — ферромагнетик” и “ферромагнетик — диэлектрик — полупроводник”. Кроме традиционных методов используем оригинальные подходы с исследованием отклика систем на комбинированное воздействие (транспортный ток, электрическое и магнитное поле, электромагнитное излучение оптического и СВЧ-диапазонов). Изучая характер отклика, можно получать дополнительную информацию фундаментального характера о спин-зависимых электронных процессах в наноструктурах, а также обнаружить новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и управления им.
Активные исследования в области спинтроники ведут в тесном сотрудничестве ученые разных лабораторий института — физики магнитных явлений во главе с Сергеем Овчинниковым, магнитодинамики под руководством Геннадия Патрина и моей лаборатории радиоспетроскопии и спиновой электроники. Мы поддерживаем деловые и научные связи со многими исследовательскими коллективами России и других стран. В Московском институте стали и сплавов по нашей просьбе изготавливают туннельные структуры на основе пленок манганитов (минералов, содержащих марганец). В Чангвонском национальном университете (Республика Корея) для нас создают магнитные туннельные структуры, используя которые мы уже получили интересные результаты.
Одно из направлений теоретических работ ученых института — спин-зависимый электронный транспорт в немагнитных микро- и наноструктурах и разработка принципов действия устройств, построенных на таких структурах. Не всегда удобно управлять процессами с помощью магнитного поля и не всегда можно создать большие поля в нанообъемах. Положение спасает спин-орбитальное взаимодействие, которое связывает спин электрона с электрическим полем. Оказалось, достаточно приложить небольшой потенциал, чтобы обеспечить эффективное управление спином. Наши теоретики из лаборатории теории нелинейных процессов выдвинули интересные идеи, позволяющие улучшить спинтронные устройства. Это, например, альтернативный вариант спинового транзистора, в котором ток управляется за счет введения дополнительного электрода.
Современные задачи — из разряда фантастики. Как электрон проходит через единичные магнитные атомы и молекулы? Как спиновое состояние электронов влияет на это движение и как им можно управлять? Важнейшая проблема — построение соответствующей теории квантового транспорта. В лаборатории теоретической физики разработали подход, в котором учитываются такие важные явления, как неупругое рассеяние электронов и его многократно повторяющийся характер, наличие большого количества уровней у магнитных атомов. Этот подход позволяет описать ряд особенностей вольт-амперных характеристик таких систем. Выяснилось, что в молекулярных структурах проявляется эффект гигантского магнитосопротивления, и поэтому эти структуры могут служить базовыми элементами для создания электронных устройств нового поколения.
В последнее время наблюдается тенденция к тесным контактам исследователей, занимающихся теорией и экспериментом в области спинтроники в нашем институте. Теоретики обращаются к описанию реальных экспериментов, технологи и экспериментаторы прислушиваются к рекомендациям и идеям теоретиков. И такой альянс уже приносит свои плоды.
— Есть ли прикладные результаты?
— Об этом говорить пока рано. Основная задача нашего института — проведение фундаментальных работ, в том числе в области спинтроники. Все исследования можно назвать прикладными, но пройдет какое-то время, прежде чем они станут востребованными.
Наши работы направлены также на поиск явлений, которые помогут при создании современных образцов высокофункциональной техники. Например, исследования гибридных структур с барьером Шоттки открывают новое направление в спинтронике — использование явлений спин-зависимого туннелирования и спинового транспорта с участием “магнитных” поверхностных центров. Полученные нами результаты подтолкнули к разработке устройств, в которых неосновные носители заряда переводятся в неравновесное состояние с помощью оптического излучения.
Спинтроника — молодая область науки, в ней еще много неизвестного, поэтому перспективы наших исследований весьма обнадеживающие.
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Фото с сайта
http://photo.kirensky.ru
Нет комментариев