Spintronics
تئوری
کلید اسپینترونیک در تزریق ، دستکاری و آشکار سازی اسپینها در سیستمهای حالت جامد است. برای ساختن یک ابزار اسپینترونیکی نیاز اولیه این است که یک سیستم که کارایی تولید جریانی از الکترونهای قطبیده اسپینی را داشته باشد و سیستمی که به قطبش اسپینی الکترونها حساس است، بوجود آورد.
بیشتر این ابزار دارای قسمتی هستند که جریان الکترونها را وابسته به حالتهای اسپین تغییر دهد. ساده ترین روش تولید کردن یک جریان قطبیده اسپینی تزریق جریانی از بین ماده ای فرومغناطیس است. بیشترین کاربرد این اثر یک سیستم مقاومت مغناطیسی غول آسا (GMR) است. نمونه GMR شامل دولایه از مواد فرومغناطیس است که توسط یک لایه جداکننده از هم جدا شده اند. وقتی هردو بردار مغناطش لایه ها هم راستا باشند یک جریان الکتریکی آزادانه شارش می کند، درحالیکه اگر بردارهای مغناطش دو لایه پادموازی باشند مقاومت سیستم بسیار بالاتر می شود.
دو متغییر از GMR در ابزار بکاربرده می شود، جریان در صفحه ، جائیکه جریان الکتریکی موازی با لایه ها شارش می کند و جریانی الکتریکی که عمود بر لایه های مغناطیسی شارش می کند جریان عمود بر صفحه نام دارد. ساختاری که بدین گونه رفتار میکند والو اسپینی نامیده میشود، این والوها نانوساختارهایی با لایه هایی از مواد نانومغناطیسی ساخته میشوند. سایز نوعی این لایه ها از مرتبه 10 تا 100 نانومتر و حتی کمتر است. موادی که بیشتر برای لایه های فرومغناطیسی استفاده می شوند کبالت یا یک آلیاژ از نیکل و آهن که به پرمالوی معروفند، هستند. لایه جدا کننده غیر مغناطیسی میتواند از هر فلز غیر مغناطیسی مانند مس Cu باشد. البته در عمل محدودیتهای تکنیکی وجود دارد.
جریان در والو اسپینی میتواند در دو راستا بکار برده شود، 1- عمود بر لایه های مغناطیسی و جداکننده که والو اسپینی CPP نام دارد. 2- جریان موازی با صفحه که به والو اسپینی CIP معروف است. در شکل زیر می توان شکل یک والو اسپینی نوع CPPرا در دو الت باز و بسته مشاهده کرد.
وضعیتی را در نظر میگیریم که لایه های فرومغناطیسی والو اسپینی آنقدر کوچک باشند بطوریکه مغناطش درون لایه مغناطیسی تغییر نکند. در یک آزمایش، یکی از این لایه های
کاربرد
وسایل اسپینترونیکی در اندازهای کمتر از 100 نانومتر هستند ولی پتانسیل بازار تا صدها میلیارد دلار در سال را دارند. این تکنولوژی نقش بسیار مهمی را در ذخیره سازی داده و کلا سخت افزار رایانه ، میکرو الکترونیک ، سنسورها ، کاربردهای زیست فناوری و از این قبیل را دارد. امروزه هرکس یک وسیله اسپینترونیکی را روی میز خود دارد، زیرا تمامی رایانه های مدرن از والو اسپینی برای خواندن و نوشتن داده ها بر روی درایو سخت استفاده می کنند. با کشف تونل زنی مقاومت مغناطیسی که به پیوند تونل مغناطیسی منتهی می شود باعث تولید نسل جدیدی از حافظه های رایانه ای بنام Magnetic (MRAM) Random Access Memory شده است.
هم اکنون تحقیقات بر روی ساخت ترانزیستور های اسپینی و تجهیزات منطق اسپینی و نیمه هادیها با هدف بهبود دادن به توانایی های موجود ترانزیستورهای الکترونیکی و مدارات منطقی اینکه محاسبات آینده و بدین ترتیب رایانه ها می توانند سریع تر و با انرژی کمتر کار کنند.
چهار زمینه تحقیقاتی عمده در تکنولوژی اسپینترونیک وجود دارد:
1- فهمیدن اصول فیزیکی از قبیل انتقال وابسته اسپینی
2- تولید مناسب مواد اسپینترونیکی با دماهای کوری بالاتر از دمای اتاق ،
برقرار کردن رسانندگی بین مواد مغناطیسی و نیمه رسانا .
3- ساخت تجهیزات با ابعاد نانومتری و توسعه این روش ها.
4- مجتمع کردن ابزار اسپینی ISD با جریان میکرو الکترونیک و انجام محاسبات.
شکل زیر توزیع هزینه های سرمایه گذاری شده توسط انجمن تحقیقات علوم فیزیک و مهندسی (EPSRC) بر روی زمینه های تحقیقاتی اسپینترونیکی.
گروه های علمی مشهور در این زمینه :
Prof. B Hickey & Dr. C Marrows –
Prof. J Mathon -
Prof. B Tanner -
Prof. J Chapman -
Prof. M Blamire -
Prof DM Edwards -
Dr R Hicken -
Dr S Langridge - CCLRC
. Saied Tehrani, Freescale Semiconductor,
. Magnetoelectronics ,M. Johnson (Editor) Copyright q 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.
Slonczewski’s original paper on spin transfer:
• J.C. Slonczewski, J. Mag. Mat. Mag. 159, L1 (1996).
Berger’s original paper on spin transfer:
• L. Berger, Phys. Rev. B 54, 9353 (1996).
• M. Tsoi , A. G. M. Jansen, J. Bass, W.-C. Chiang, M. Seck, V. Tsoi, and P. Wyder,
Phys. Rev. Lett. 80, 4281 (1998).
• E. B. Myers, D. C. Ralph, J. A. Katine, R. N. Louie, R. A. Buhrman, Science 285,
867 999).
Spintronics information community site
Spintronics at SUNY Albany's College of Nanoscale Science and Engineering
Spintronics research targets GaAs.
