Spintronika

Tak było, jak będzie?
Lampy próżniowe. Komputery lampowe – 15 kW – zasilanie bloku mieszkalnego.
Tranzystor – 16.12.1947 – Wiliam Shockley, John Bardeen, Walter Brattain z Bell
Telephone Laboratories – tranzystor ostrzowy, 1954 – pierwsze radio tranzystorowe
(Regency), 1956 – Nagroda Nobla. Zasilanie 100 razy mniejsze.
Układy scalone – matryca fotograficzna, płytka półprzewodnika pokryta światłoczułą
emulsją, naświetlanie UV, chemiczne trawienie, pakowanie w obudowę: karta
pamięci do aparatu cyfrowego (znaczek pocztowy) – miliard tranzystorów i tylko
dziewięć styków elektrycznych.
Amerykanie, budując bombę atomową korzystali z usług rachmistrzów.
Gordon Moore, założyciel firmy Intel: liczba tranzystorów, które można upakować
na jednostce powierzchni układu scalonego, będzie się podwajać co 1,5 roku –
prawo Moore’a. Mikroprocesor – kilka miliardów tranzystorów. Prawo to przestanie
obowiązywać w 2009 r.
Komputery wykorzystujące do pracy DNA, światło, zjawiska kwantowe.
Bomba E – urządzenie wysyłające impuls elektromagnetyczny, które niszczy układy
scalone zbudowane z tranzystorów – cofnięcie ludzkości o 100 lat.
1
Elektronika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem
elektronów w celu przesyłania informacji
Fotonika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem fotonów w
tym samym celu
Optoelektronika zajmuje się budową źródeł i detektorów światła
generacją światła i jego detekcją
Bariera elektroniki ∼ 300 GHz. Brak generatora promieniowania i
odbiornika dla wyższych częstotliwości niż 300 GHz.
Elektron ma zbyt dużą masę dla tak wysokich częstotliwości
Naturalny kierunek zmian : przejście w pasmo optyczne fal
elektromagnetycznych
Foton nie ma masy spoczynkowej
Quo us que?
Dokąd zmierza elektronika?
Kiedy pojawią się komputery kwantowe?
Gdzie jeszcze znajdzie zastosowanie spintronika?
Kiedy w tranzystorach będzie płynął prąd spolaryzowany?
Czy można bezpiecznie przesyłać informacje bez obawy, że szybkie
komputery rozszyfrują ich kod?
Czy da się oddzielić optykę od optoelektroniki?
Czy granica miniaturyzacji układów elektronicznych przestanie podlegać
prawu Moore’a już w 2009 r?
2
Elektronika diamentowa
Mikroukłady elektroniczne z diamentu pozwolą budować komputery kwantowe działające w temperaturze
pokojowej – diamentowa spintronika. Elektrony mają ładunek i spin.
Diament jest twardy, przezroczysty dla ultrafioletu, doskonały przewodnik ciepła. Diament (izolator) może być
półprzewodnikiem (odpowiednio domieszkowany – krzemem przyszłości. Detekcja i generacja
promieniowania UV (diody), mikrofaloweukłady elektroniczne wysokiej mocy. Mikroukłady spintroniczne –
komputery kwantoweoraz superbezpieczne układy telekomunikacyjne.
Spintronika – dziedzina elektroniki, w której wykorzystuje się ładunek i spin elektronu. Twarde dyski z
głowicami do odczytu danych – detekcja domen magnetycznych dzięki zjawisku gigantycznego
magnetooporu. MRAM – magnetooporowa pamięć RAM – dane nie przepadają po wyłączeniu komputera:
Motorola (Freescale Semiconductor). Dzięki tej pamięci komputer będzie gotowy w ułamku sekundy do
dalszej pracy w konfiguracji, w jakiej został wyłączony. Tranzystory spinowe – spin steruje przepływem
prądu – komputery z układami logicznymi o modyfikowanej na bieżąco architekturze.
3
Gigantyczny magnetoopór (GMR z ang. Giant MagnetoResistance) – zjawisko
kwantowomechaniczne polegające na powstawaniu bardzo dużego (olbrzymiego)
magnetooporu na cienkich warstwach wielokrotnych F/(NF/F)xN (N-liczba powtórzeń
dwuwarstwy, F-ferromagnetyk, NF-diamagnetyk), odkryte przez grupę badawczą
Baibicha w 1988 r. Wraz z odkryciem tego zjawiska rozpoczęła się era elektroniki
spinowej (spintroniki). Efekt GMR jest związany z różnym prawdopodobieństwem
rozproszenia elektronów ze spinem ↑ i tych ze spinem ↓, co związane jest z różną
gęstością stanów elektronowych D na poziomie energii Fermiego, czyli poziomu, w
pobliżu którego znajdują się stany kwantowe, do których mogą zgodnie z zakazem
Pauliego zostać rozproszone elektrony. Gęstość stanów ze spinem ↑ na poziomie
Fermiego jest z reguły mniejsza, niż dla elektronów ze spinem antyrównoległym, tzn.
D↑(EF)<D↓(EF), a stąd i opór jest mniejszy ρ↑<ρ↓. Pomijając rozpraszanie elektronów
ze zmianą spinów, możemy traktować rozpraszanie elektronów ze spinem ↑ i ↓
niezależnie (patrz Rys. 1).
Rys. 1: Rozszczepienie gęstości
stanów elektronowych D na poziomie
energii Fermiego występujące w
niektorych metalach np. Fe, Co, Ni
4
Dla równoległej konfiguracji kierunków namagnesowania w warstwach
ferromagnetycznych (↑↑) prawdopodobieństwo rozpraszania dla elektronów ze spinem ↑
i ↓ są różne. Elektron ze spinem ↑ jest słabo rozpraszany zarówno na pierwszej, jak i
drugiej warstwie, natomiast elektron ze spinem ↓ jest silnie rozpraszany na obu
warstwach.Modelowo układ ten można przedstawić jako zespół oporników połączonych
równolegle, co przedstawiono na rys.2.
Rys. 2: Schemat rozpraszania
elektronów w zależności od spinu
a) dla konfiguracji równoległej
b) dla konfiguracji antyrównoległej
wraz z układami zastępczych
oporów.
Całkowity opór takiego układu jest zdeterminowany przez opór elektronu ze spinem ↑,
czyli jest mały. Dla konfiguracji antyrównoległej (↑↓) prawdopodobieństwo rozpraszania
elektronów dla obu spinów jest równe. Elektron ze spinem ↓ jest silnie rozpraszany na
pierwszej warstwie i słabo rozpraszany na drugiej, natomiast elektron ze spinem ↑ jest
rozpraszany odwrotnie. Każdy kanał może być reprezentowany przez jeden mały i jeden
duży opornik. W rezultacie całkowity opór dla konfiguracji antyrównoległej jest większy
5
niż dla konfiguracji równoległej.
Rys. 3: Magnetoopór trzech
warstw wielokrotnych typu
Fe/Cr zmierzony w
temperaturze 4,2 K.
Reasumując, jeśli zewnętrznym polem magnetycznym wywołamy zmianę względnych kierunków
namagnesowania przechodząc od konfiguracji ↑↓ do konfiguracji ↑↑ to zaobserwujemy efekt zmniejszenia oporu,
czyli zjawisko GMR.Warunkiem koniecznym na wystąpienie zjawiska GMR w układzie warstwowym typu
F/NF/F jest zmiana pod wpływem pola magnetycznego kąta φ między kierunkami namagnesowania
subwarstw ferromagnetycznych, co powoduje zmianę oporu układu wg poniższego wzoru:
R(f)=Ro+DR(1-cos(f))
gdzie:
R0 – wartość oporu dla φ=0°
ΔR – zmiana oporu dla φ=180°.
Następnym warunkiem jest to, aby elektron oddziaływał z oboma warstwami ferromagnetycznymi, dlatego
grubość subwarstw musi być mniejsza niż średnia droga swobodna elektronu (mfp). Efekt GMR można
zaobserwować nie tylko w wielowarstwach, ale także w zaworach spinowych i pseudozaworach spinowych.
Zjawisko jest wykorzystywane w głowicach odczytu twardych dysków i magnetycznych pamięciach MRAM.
Pierwszy raz zostało zastosowane w urządzeniu komercyjnym przez IBM w 1997 roku. Za niezależne odkrycie
efektu GMR Francuz Albert Fert i Niemiec Peter Grunberg otrzymali 9 października 2007 roku Nagrodę Nobla
6
z dziedziny fizyki. Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Gigantyczny_magnetoopor"
Wysokie napięcie przebicia,
Tt=4000oC, przezroczystość, wysoki
współczynnik załamania światła – 2,4,
szkło-1,5, biozgodny. Syntetyczne
Diamenty wytwarza się metodami
7
HPHT i BARS
Półprzewodnik typu n – domieszkowanie borem (kolor błękitny), typu p –
domieszkowanie S lub Li. Duża prędkość nośników – dziur i elektronów – pozwala
budować przyrządy wysokoczęstotliwościowe (THz).
W 2005 r. wytworzono (Element Six)
diodę Schottky’ego o szybkim czasie
przełączania, zdolną do pracy przy
napięciu 1700 V i gęstości natężenia
prądu 10 A/cm2.
8
9
Układy spintroniczne – spiny dużej liczby elektronów ustawione jednakowo – elektrony
o spolaryzowanych spinach. Prąd spinowy – jak spolaryzowana wiązka światła.
Kwantowe układy spintroniczne – sterowanie pojedynczymi elektronami – układy do
kwantowego przetwarzania informacji. Qubity – bity kwantowe mogące być
jednocześnie zerami i jedynkami. Superpozycje qubitów będą wykorzystywane w
komputerach kwantowych do obliczeń równoległych – przeszukiwanie baz danych,
rozkładanie wielkich liczb na czynniki pierwsze – narzędzie kryptograficzne, i do
tworzenia modeli innych układów kwantowych – postęp w fizyce, chemii, biologii.
Poszukiwanie układu do przechowywania i przetwarzania informacji kwantowej: spiny
jonów pułapkowanych za pomocą pól elektromagnetycznych (wysoka próżnia, ochrona
przed zaburzeniami zewnętrznymi), układy o strukturze krystalicznej (zmiana i sterowanie pojedynczymi spinami, kwantowe bramki logiczne, czas utrzymywania informacji
przez spiny).
Cienkie diamentowe warstwy – osadzanie chemiczne z fazy gazowej (d=kilkaset nm, S
~cm2 – wytwarzanie pary cząsteczek zawierających węgiel (metan), podział cząstek
na atomy – silne promieniowanie mikrofalowe, osadzanie węgla na krzemie- ziarna
diamentu ~nm-mm
10
Eg=5,5eV
dla krzemu 1,1eV
11
Domieszki – centra N-V emitują pojedyncze fotony – kryptografia kwantowa. Informację
przesyła się fotonami, z których każdy zawiera 1 qubit. Przekaz jest bezpieczny, bo
nie można przechwycić fotonów bez zaburzenia qubitów.
Spin elektronów centrum N-V można spolaryzować za pomocą światła w temperaturze
pokojowej. Fluorescencja jednego ze stanów spinu jest jaśniejsza – odczyt stanu spinu
przez pomiar natężenia fluorescencji. Cechy kwantowe spiny centrum N-V zachowują
nawet w temperaturze pokojowej (1ms) (sprzężenie spin-orbita, oddziaływanie ze
spinami jąder).
Stan spinu centrum N-V można zmienić w ciągu 10ns. W ciągu 1ms da się wykonać
100 000 operacji. Częstość błędów: 1:100000 <1:10000.
W kryptografii potrzebny jest ciąg pojedynczych qubitów. W obliczeniach kwantowych –
qubity musza ze soba oddziaływać, tworząc nowe. W zwykłych komputerach bramki
logiczne przetwarzaja pary bitów wejściowych na nowe bity wyjściowe. W komputerach
kwantowych, kwantowe układy logiczne działają podobnie, ponadto uwzględniają
kwantowe superpozycje bitów
12
Gdy centrum N-V sąsiaduje z innym atomem azotu, wielkość rozszczepienia stanów 0
i 1, zależy od stanu jego spinu – bramka CNOT. Bramka taka działając na pary
qubitów oraz obracajac pojedyncze qubity, pozwala wykonać dowolne operacje
kwantowe na dowolnej liczbie qubitów.
13
Oddziaływania o większym zasięgu między spinami centrów N-V w diamencie można
uzyskać stosując jako nośniki fotony. Kieruje się je do drugiego centrum falowodami
umieszczonymi na tym samym podłożu co diament. Włączenie centrów N-V w struktury
zwane wnękami optycznymi, w których światło tworzy fale stojące zwiększa
oddziaływanie spinu z fotonami. Wnęki takie wytwarza się w krysztale fotonicznym.
Metodą implantacji udaje się umieszczać pojedyncze domieszki w określonych
miejscach diamentu. Podgrzanie go do 850oC powoduje migrację luk w sieci diamentu.
Gdy luka napotyka atom azotu, pozostaje w jego sąsiedztwie.
Prądy spinowe: oddziaływanie spinowo-orbitalne – spinowe zjawisko Halla
14
GaAs – 30K
ZnSe – 300K
Półprzewodniki spinowe
Literatura:
Świat Nauki 11 (2007) 36
Świat Techniki 11 (2005) 18
15