Spintrônica - Spintronics

Spintrônica (um portmanteau que significa eletrônica de transporte de spin ), também conhecida como eletrônica de spin , é o estudo do spin intrínseco do elétron e seu momento magnético associado , além de sua carga eletrônica fundamental, em dispositivos de estado sólido . O campo da spintrônica diz respeito ao acoplamento spin-carga em sistemas metálicos; os efeitos análogos em isoladores caem no campo dos multiferróicos .

A spintrônica difere fundamentalmente da eletrônica tradicional porque, além do estado de carga, os spins do elétron são explorados como um grau adicional de liberdade, com implicações na eficiência do armazenamento e transferência de dados. Os sistemas spintrônicos são mais frequentemente realizados em semicondutores magnéticos diluídos (DMS) e ligas de Heusler e são de particular interesse no campo da computação quântica e computação neuromórfica .

História

Spintrônica surgiu de descobertas na década de 1980 sobre fenômenos de transporte de elétrons dependentes de spin em dispositivos de estado sólido. Isso inclui a observação da injeção de elétrons com spin polarizado de um metal ferromagnético para um metal normal por Johnson e Silsbee (1985) e a descoberta da magnetorresistência gigante de forma independente por Albert Fert et al. e Peter Grünberg et al. (1988). A origem da spintrônica pode ser rastreada até os experimentos de túnel de ferromagneto / supercondutor iniciados por Meservey e Tedrow e os experimentos iniciais em junções de túnel magnético por Julliere na década de 1970. O uso de semicondutores para spintrônica começou com a proposta teórica de um transistor de efeito de campo de spin por Datta e Das em 1990 e da ressonância de spin de dipolo elétrico por Rashba em 1960.

Teoria

O spin do elétron é um momento angular intrínseco separado do momento angular devido ao seu movimento orbital. A magnitude da projeção do spin do elétron ao longo de um eixo arbitrário é , implicando que o elétron atua como um férmion pelo teorema da estatística de spin . Como o momento angular orbital, o spin tem um momento magnético associado , cuja magnitude é expressa como

.

Em um sólido, os spins de muitos elétrons podem atuar juntos para afetar as propriedades magnéticas e eletrônicas de um material, por exemplo, dotando-o de um momento magnético permanente como em um ferromagneto .

Em muitos materiais, os spins do elétron estão igualmente presentes no estado para cima e para baixo, e nenhuma propriedade de transporte depende do spin. Um dispositivo spintrônico requer geração ou manipulação de uma população de elétrons com polarização de spin, resultando em um excesso de elétrons de spin para cima ou para baixo. A polarização de qualquer propriedade dependente de spin X pode ser escrita como

.

Uma polarização de spin líquido pode ser alcançada através da criação de uma divisão de energia de equilíbrio entre spin para cima e spin para baixo. Os métodos incluem colocar um material em um grande campo magnético ( efeito Zeeman ), a troca de energia presente em um ferromagneto ou forçar o sistema fora de equilíbrio. O período de tempo durante o qual essa população em desequilíbrio pode ser mantida é conhecido como tempo de vida do spin ,.

Em um condutor difusivo, um comprimento de difusão de spin pode ser definido como a distância pela qual uma população de spin sem equilíbrio pode se propagar. Os tempos de vida dos elétrons de condução em metais são relativamente curtos (normalmente menos de 1 nanossegundo). Uma importante área de pesquisa é dedicada a estender esta vida útil para escalas de tempo tecnologicamente relevantes.

Um gráfico que mostra um spin para cima, um spin para baixo e a população de elétrons polarizada de spin resultante. Dentro de um injetor de spin, a polarização é constante, enquanto fora do injetor, a polarização decai exponencialmente para zero conforme as populações de spin para cima e para baixo vão ao equilíbrio.

Os mecanismos de decadência para uma população com polarização de spin podem ser amplamente classificados como espalhamento spin-flip e defasagem de spin. O espalhamento spin-flip é um processo dentro de um sólido que não conserva o spin e, portanto, pode mudar um estado de aumento de rotação para um estado de redução de rotação de saída. A defasagem de spin é o processo em que uma população de elétrons com um estado de spin comum torna-se menos polarizada ao longo do tempo devido a diferentes taxas de precessão de spin do elétron . Em estruturas confinadas, a defasagem de spin pode ser suprimida, levando a tempos de vida de spin de milissegundos em pontos quânticos semicondutores em baixas temperaturas.

Supercondutores podem potencializar efeitos centrais em spintrônica, como efeitos de magnetorresistência, tempos de vida de spin e correntes de spin sem dissipação.

O método mais simples de gerar uma corrente polarizada por spin em um metal é passar a corrente por um material ferromagnético . As aplicações mais comuns desse efeito envolvem dispositivos de magnetorresistência gigante (GMR). Um dispositivo GMR típico consiste em pelo menos duas camadas de materiais ferromagnéticos separados por uma camada espaçadora. Quando os dois vetores de magnetização das camadas ferromagnéticas estão alinhados, a resistência elétrica será menor (portanto, uma corrente mais alta flui em tensão constante) do que se as camadas ferromagnéticas estiverem anti-alinhadas. Isso constitui um sensor de campo magnético.

Duas variantes do GMR têm sido aplicadas em dispositivos: (1) corrente no plano (CIP), onde a corrente elétrica flui paralelamente às camadas e (2) corrente perpendicular ao plano (CPP), onde a corrente elétrica flui em uma direção perpendicular às camadas.

Outros dispositivos spintrônicos baseados em metal:

  • Magnetoresistência de túnel (TMR), onde o transporte do CPP é obtido por meio do tunelamento mecânico-quântico de elétrons através de um isolante fino que separa as camadas ferromagnéticas.
  • Torque de transferência de spin, em que uma corrente de elétrons polarizados de spin é usada para controlar a direção de magnetização dos eletrodos ferromagnéticos no dispositivo.
  • Dispositivos lógicos de onda de spin carregam informações na fase. A interferência e o espalhamento da onda de spin podem realizar operações lógicas.

Dispositivos de lógica spintrônica

Dispositivos não voláteis de lógica de spin para permitir o dimensionamento estão sendo amplamente estudados. Dispositivos lógicos baseados em torque e transferência de spin que usam spins e ímãs para processamento de informações têm sido propostos. Esses dispositivos fazem parte do roteiro exploratório do ITRS . Os aplicativos de memória Logic-in já estão em estágio de desenvolvimento. Um artigo de revisão de 2017 pode ser encontrado em Materials Today .

Formulários

As cabeças de leitura de discos rígidos magnéticos são baseadas no efeito GMR ou TMR.

A Motorola desenvolveu uma memória magnetorresistiva de acesso aleatório (MRAM) de primeira geração de 256  kb baseada em uma única junção de túnel magnético e um único transistor que tem um ciclo de leitura / gravação de menos de 50 nanossegundos. Desde então, Everspin desenvolveu uma versão de 4  Mb . Duas técnicas de MRAM de segunda geração estão em desenvolvimento: comutação termicamente assistida (TAS) e torque de transferência de rotação (STT).

Outro projeto, a memória racetrack , codifica informações na direção da magnetização entre as paredes de domínio de um fio ferromagnético.

Em 2012, hélices de spin persistentes de elétrons sincronizados foram feitas para persistir por mais de um nanossegundo, um aumento de 30 vezes em relação aos esforços anteriores e mais do que a duração de um ciclo de clock de processador moderno.

Dispositivos spintrônicos baseados em semicondutores

Materiais semicondutores dopados exibem ferromagnetismo diluído. Nos últimos anos, os óxidos magnéticos diluídos (DMOs), incluindo os DMOs à base de ZnO e os DMOs à base de TiO 2 , foram objeto de inúmeras investigações experimentais e computacionais. Fontes semicondutoras ferromagnéticas não óxidas (como arsenieto de gálio dopado com manganês (Ga, Mn) As ), aumentam a resistência da interface com uma barreira de túnel ou usando injeção de elétrons quentes.

A detecção de spin em semicondutores foi abordada com várias técnicas:

  • Rotação Faraday / Kerr de fótons transmitidos / refletidos
  • Análise de polarização circular de eletroluminescência
  • Válvula de rotação não local (adaptada do trabalho de Johnson e Silsbee com metais)
  • Filtragem de rotação balística

A última técnica foi usada para superar a falta de interação spin-órbita e problemas de materiais para alcançar o transporte de spin no silício .

Como os campos magnéticos externos (e campos dispersos de contatos magnéticos) podem causar grandes efeitos Hall e magnetorresistência em semicondutores (que imitam efeitos de válvula de spin ), a única evidência conclusiva de transporte de spin em semicondutores é a demonstração de precessão de spin e defasagem em um campo magnético não colinear à orientação de spin injetada, chamado de efeito Hanle .

Formulários

Aplicações usando injeção elétrica polarizada por spin mostraram redução de corrente de limiar e saída de luz coerente polarizada circularmente. Os exemplos incluem lasers semicondutores. As aplicações futuras podem incluir um transistor baseado em spin com vantagens sobre os dispositivos MOSFET , como uma inclinação sublimiar mais íngreme.

Transistor de túnel magnético: O transistor de túnel magnético com uma única camada de base tem os seguintes terminais:

  • Emissor (FM1): injeta elétrons quentes polarizados por spin na base.
  • Base (FM2): O espalhamento dependente de spin ocorre na base. Ele também serve como um filtro de rotação.
  • Coletor (GaAs): Uma barreira Schottky é formada na interface. Ele apenas coleta elétrons que têm energia suficiente para superar a barreira de Schottky, e quando há estados disponíveis no semicondutor.

A magnetocorrente (MC) é dada como:

E a taxa de transferência (TR) é

O MTT promete uma fonte de elétrons com alta polarização de spin à temperatura ambiente.

Mídia de armazenamento

Os meios de armazenamento antiferromagnético têm sido estudados como uma alternativa ao ferromagnetismo , especialmente porque com material antiferromagnético os bits podem ser armazenados, bem como com material ferromagnético. Em vez da definição usual 0 ↔ 'magnetização para cima', 1 ↔ 'magnetização para baixo', os estados podem ser, por exemplo, 0 ↔ 'configuração de spin alternado verticalmente' e 1 ↔ 'configuração de spin alternado horizontalmente'.).

As principais vantagens do material antiferromagnético são:

  • insensibilidade a perturbações que danificam os dados por campos perdidos devido à magnetização externa líquida nula;
  • nenhum efeito nas partículas próximas, implicando que os elementos do dispositivo antiferromagnético não perturbariam magneticamente seus elementos vizinhos;
  • tempos de comutação muito mais curtos (a frequência de ressonância antiferromagnética está na faixa THz em comparação com a frequência de ressonância ferromagnética GHz);
  • ampla gama de materiais antiferromagnéticos comumente disponíveis, incluindo isoladores, semicondutores, semimetais, metais e supercondutores.

A pesquisa está sendo feita sobre como ler e gravar informações em spintrônica antiferromagnética, já que sua magnetização líquida zero torna isso difícil em comparação com a spintrônica ferromagnética convencional. No MRAM moderno, a detecção e a manipulação da ordem ferromagnética por campos magnéticos foram amplamente abandonadas em favor de uma leitura e escrita mais eficiente e escalável por corrente elétrica. Métodos de leitura e gravação de informações por corrente ao invés de campos também estão sendo investigados em antiferroímãs, pois os campos são ineficazes de qualquer maneira. Os métodos de escrita atualmente sendo investigados em antiferromagnetos são através do torque de transferência de spin e do torque de spin-órbita do efeito Hall de spin e do efeito Rashba . A leitura de informações em antiferromagnetos via efeitos de magnetorresistência, como a magnetorresistência de túnel, também está sendo explorada.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos