stringtranslate.com

Espintrónica

La espintrónica (un acrónimo que significa electrónica de transporte de espín [1] [2] [3] ), también conocida como electrónica de espín , es el estudio del espín intrínseco del electrón y su momento magnético asociado , además de su carga electrónica fundamental , en dispositivos de estado sólido . [4] El campo de la espintrónica se refiere al acoplamiento de carga de espín en sistemas metálicos; los efectos análogos en los aisladores caen en el campo de los multiferroicos .

La espintrónica se diferencia fundamentalmente de la electrónica tradicional en que, además del estado de carga, se utilizan los espines de los electrones como un grado adicional de libertad, con implicaciones en la eficiencia del almacenamiento y la transferencia de datos. Los sistemas espintrónicos se realizan con mayor frecuencia en semiconductores magnéticos diluidos (DMS) y aleaciones de Heusler y son de particular interés en el campo de la computación cuántica y la computación neuromórfica .

Historia

La espintrónica surgió a partir de descubrimientos en la década de 1980 sobre fenómenos de transporte de electrones dependientes del espín en dispositivos de estado sólido. Esto incluye la observación de la inyección de electrones polarizados por espín desde un metal ferromagnético a un metal normal por Johnson y Silsbee (1985) [5] y el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante de forma independiente por Albert Fert et al. [6] y Peter Grünberg et al. (1988). [7] El origen de la espintrónica se remonta a los experimentos de túneles ferromagnéticos/superconductores iniciados por Meservey y Tedrow y a los experimentos iniciales sobre uniones de túneles magnéticos realizados por Julliere en la década de 1970. [8] El uso de semiconductores para la espintrónica comenzó con la propuesta teórica de un transistor de efecto de campo de espín por Datta y Das en 1990 [9] y de la resonancia de espín dipolar eléctrica por Rashba en 1960. [10]

Teoría

El espín del electrón es un momento angular intrínseco que está separado del momento angular debido a su movimiento orbital. La magnitud de la proyección del espín del electrón a lo largo de un eje arbitrario es , lo que implica que el electrón actúa como un fermión según el teorema de la estadística del espín . Al igual que el momento angular orbital, el espín tiene un momento magnético asociado , cuya magnitud se expresa como

.

En un sólido, los espines de muchos electrones pueden actuar juntos para afectar las propiedades magnéticas y electrónicas de un material, por ejemplo dotándolo de un momento magnético permanente como en un ferroimán .

En muchos materiales, los espines de los electrones están igualmente presentes tanto en el estado ascendente como en el descendente, y ninguna propiedad de transporte depende del espín. Un dispositivo espintrónico requiere la generación o manipulación de una población de electrones polarizados por espín, lo que da como resultado un exceso de electrones con espín ascendente o descendente. La polarización de cualquier propiedad X dependiente del espín se puede escribir como

.

Se puede lograr una polarización neta del espín creando una energía de equilibrio dividida entre el giro hacia arriba y hacia abajo. Los métodos incluyen poner un material en un gran campo magnético ( efecto Zeeman ), intercambiar la energía presente en un ferroimán o forzar el sistema a salir del equilibrio. El período de tiempo que se puede mantener una población en desequilibrio se conoce como vida útil del espín .

En un conductor difusivo, la longitud de difusión de espín se puede definir como la distancia sobre la cual se puede propagar una población de espín que no está en equilibrio. La vida útil de los espines de los electrones de conducción en los metales es relativamente corta (normalmente menos de 1 nanosegundo). Se dedica una importante área de investigación a ampliar esta vida útil a escalas de tiempo tecnológicamente relevantes.

Un gráfico que muestra un giro hacia arriba, hacia abajo y la población de electrones polarizados por giro resultante. Dentro de un inyector de espín, la polarización es constante, mientras que fuera del inyector, la polarización decae exponencialmente a cero a medida que las poblaciones de espín hacia arriba y hacia abajo llegan al equilibrio.

Los mecanismos de desintegración de una población polarizada por espín se pueden clasificar en términos generales como dispersión por inversión de espín y desfase de espín. La dispersión de giro-inversión es un proceso dentro de un sólido que no conserva el giro y, por lo tanto, puede cambiar un estado de giro entrante a un estado de giro saliente. El desfase de espín es el proceso en el que una población de electrones con un estado de espín común se vuelve menos polarizada con el tiempo debido a diferentes velocidades de precesión de espín de los electrones . En estructuras confinadas, se puede suprimir el desfase del espín, lo que lleva a una vida útil del espín de milisegundos en puntos cuánticos semiconductores a bajas temperaturas.

Los superconductores pueden mejorar los efectos centrales de la espintrónica, como los efectos de magnetorresistencia, la vida útil de los espines y las corrientes de espín sin disipación. [11] [12]

El método más sencillo para generar una corriente polarizada por espín en un metal es hacer pasar la corriente a través de un material ferromagnético . Las aplicaciones más comunes de este efecto involucran dispositivos de magnetorresistencia gigante (GMR). Un dispositivo GMR típico consta de al menos dos capas de materiales ferromagnéticos separados por una capa espaciadora. Cuando los dos vectores de magnetización de las capas ferromagnéticas están alineados, la resistencia eléctrica será menor (por lo que fluye una corriente más alta a voltaje constante) que si las capas ferromagnéticas están antialineadas. Esto constituye un sensor de campo magnético.

Se han aplicado dos variantes de GMR en dispositivos: (1) corriente en el plano (CIP), donde la corriente eléctrica fluye paralela a las capas y (2) corriente perpendicular al plano (CPP), donde la corriente eléctrica fluye en una dirección perpendicular a las capas.

Otros dispositivos espintrónicos basados ​​en metales:

Dispositivos de lógica espintrónica

Se están estudiando ampliamente los dispositivos de lógica de espín no volátiles para permitir el escalado. [13] Se han propuesto dispositivos lógicos basados ​​en torsión y transferencia de espín que utilizan espines e imanes para el procesamiento de información. [14] [15] Estos dispositivos son parte de la hoja de ruta exploratoria del ITRS . Las aplicaciones de memoria lógica ya se encuentran en etapa de desarrollo. [16] [17] Puede encontrar un artículo de revisión de 2017 en Materials Today . [4]

Se ha propuesto una teoría de circuitos generalizada para circuitos integrados espintrónicos [18] de modo que los desarrolladores de SPICE y, posteriormente, los diseñadores de circuitos y sistemas puedan utilizar la física del transporte de espín para la exploración de la espintrónica "más allá de la computación CMOS".

Aplicaciones

Los cabezales de lectura de los discos duros magnéticos se basan en el efecto GMR o TMR.

Motorola desarrolló una memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM) de 256 kb de primera generación  basada en una única unión de túnel magnético y un único transistor que tiene un ciclo de lectura/escritura de menos de 50 nanosegundos. [19] Desde entonces, Everspin ha desarrollado una versión de 4  Mb . [20] Se están desarrollando dos técnicas MRAM de segunda generación: conmutación asistida térmicamente (TAS) [21] y par de transferencia de espín (STT). [22]

Otro diseño, la memoria de pista , codifica información en la dirección de magnetización entre las paredes de dominio de un cable ferromagnético.

En 2012, se hizo que las hélices de espín persistentes de electrones sincronizados persistieran durante más de un nanosegundo, un aumento de 30 veces con respecto a esfuerzos anteriores y más que la duración del ciclo de reloj de un procesador moderno. [23]

Dispositivos espintrónicos basados ​​en semiconductores

Los materiales semiconductores dopados presentan ferromagnetismo diluido. En los últimos años, los óxidos magnéticos diluidos (DMO), incluidos los DMO basados ​​en ZnO y los DMO basados ​​en TiO 2 , han sido objeto de numerosas investigaciones experimentales y computacionales. [24] [25] Las fuentes de semiconductores ferromagnéticos sin óxido (como el arseniuro de galio (Ga,Mn)As dopado con manganeso ), [26] aumentan la resistencia de la interfaz con una barrera de túnel, [27] o mediante inyección de electrones calientes. [28]

La detección de espín en semiconductores se ha abordado con múltiples técnicas:

Esta última técnica se utilizó para superar la falta de interacción espín-órbita y los problemas de materiales para lograr el transporte de espín en el silicio . [33]

Debido a que los campos magnéticos externos (y los campos parásitos de los contactos magnéticos) pueden causar grandes efectos Hall y magnetorresistencia en los semiconductores (que imitan los efectos de la válvula de espín ), la única evidencia concluyente del transporte de espín en los semiconductores es la demostración de la precesión del espín y el desfase en un campo magnético. no colineal a la orientación del espín inyectado, llamado efecto Hanle .

Aplicaciones

Las aplicaciones que utilizan inyección eléctrica polarizada por espín han demostrado una reducción de corriente umbral y una salida de luz coherente polarizada circularmente controlable. [34] Los ejemplos incluyen láseres semiconductores. Las aplicaciones futuras pueden incluir un transistor basado en espín que tenga ventajas sobre los dispositivos MOSFET , como una pendiente por debajo del umbral más pronunciada.

Transistor de túnel magnético : El transistor de túnel magnético de una sola capa base [35] tiene los siguientes terminales:

La magnetocorriente (MC) viene dada por:

Y la relación de transferencia (TR) es

MTT promete una fuente de electrones altamente polarizados por espín a temperatura ambiente.

Medios de almacenamiento

Los medios de almacenamiento antiferromagnéticos se han estudiado como una alternativa al ferromagnetismo , [36] especialmente porque con material antiferromagnético se pueden almacenar los bits tan bien como con material ferromagnético. En lugar de la definición habitual 0 ↔ 'magnetización hacia arriba', 1 ↔ 'magnetización hacia abajo', los estados pueden ser, por ejemplo, 0 ↔ 'configuración de espín alternante verticalmente' y 1 ↔ 'configuración de espín alternante horizontalmente'. [37] ).

Las principales ventajas del material antiferromagnético son:

Se están realizando investigaciones sobre cómo leer y escribir información en la espintrónica antiferromagnética, ya que su magnetización neta cero lo hace difícil en comparación con la espintrónica ferromagnética convencional. En la MRAM moderna, la detección y manipulación del orden ferromagnético mediante campos magnéticos se ha abandonado en gran medida en favor de una lectura y escritura más eficiente y escalable mediante corriente eléctrica. En los antiferroimanes también se están investigando métodos de lectura y escritura de información mediante corrientes en lugar de campos, ya que de todos modos los campos son ineficaces. Los métodos de escritura que se investigan actualmente en los antiferromagnetos son mediante el par de transferencia de espín y el par de órbita de espín a partir del efecto Hall de espín y el efecto Rashba . También se está explorando la lectura de información en antiferroimanes mediante efectos de magnetorresistencia, como la magnetorresistencia de túnel . [40]

Ver también

Referencias

  1. ^ Lobo, SA; Chtchelkanova, AY; Treger, DM (2006). "Espintrónica: una retrospectiva y una perspectiva". Revista IBM de investigación y desarrollo . 50 : 101–110. doi :10.1147/rd.501.0101.
  2. ^ "Perfil de física:" Stu Wolf: ¡Verdadero D! Historia de Hollywood"".
  3. ^ Spintrónica: una visión del futuro de la electrónica basada en el espín. Sciencemag.org (16 de noviembre de 2001). Recuperado el 21 de octubre de 2013.
  4. ^ ab Bhatti, S.; et al. (2017). "Memoria de acceso aleatorio basada en espintrónica: una revisión". Materiales hoy . 20 (9): 530–548. doi : 10.1016/j.mattod.2017.07.007 . hdl : 10356/146755 .
  5. ^ Johnson, M.; Silsbee, RH (1985). "Acoplamiento interfacial carga-espín: inyección y detección de magnetización de espín en metales". Cartas de revisión física . 55 (17): 1790–1793. Código bibliográfico : 1985PhRvL..55.1790J. doi :10.1103/PhysRevLett.55.1790. PMID  10031924.
  6. ^ Baibich, MN; Broto, JM; Fert, A.; Nguyen Van Dau, FN; Petroff, F.; Étienne, P.; Creuzet, G.; Federico, A.; Chazelas, J. (1988). "Magnetorresistencia gigante de superredes magnéticas (001) Fe / (001) Cr" (PDF) . Cartas de revisión física . 61 (21): 2472–2475. Código bibliográfico : 1988PhRvL..61.2472B. doi : 10.1103/PhysRevLett.61.2472 . PMID  10039127.
  7. ^ Binach, G.; Grünberg, P.; Saurenbach, F.; Zinn, W. (1989). "Magnetorresistencia mejorada en estructuras magnéticas en capas con intercambio de capas intermedias antiferromagnéticas". Revisión física B. 39 (7): 4828–4830. Código bibliográfico : 1989PhRvB..39.4828B. doi : 10.1103/PhysRevB.39.4828 . PMID  9948867.
  8. ^ Julliere, M. (1975). "Túnel entre películas ferromagnéticas". Letras de Física A. 54 (3): 225–226. Código bibliográfico : 1975PhLA...54..225J. doi :10.1016/0375-9601(75)90174-7.
  9. ^ Datta, S. y Das, B. (1990). "Análogo electrónico del modulador electroóptico". Letras de Física Aplicada . 56 (7): 665–667. Código bibliográfico : 1990ApPhL..56..665D. doi :10.1063/1.102730.
  10. ^ EI Rashba, ciclotrón y resonancias combinadas en un campo perpendicular, Sov. Física. Estado sólido 2 , 1109-1122 (1960)
  11. ^ Linder, Jacob; Robinson, Jason WA (2 de abril de 2015). "Espintrónica superconductora". Física de la Naturaleza . 11 (4): 307–315. arXiv : 1510.00713 . Código Bib : 2015NatPh..11..307L. doi :10.1038/nphys3242. ISSN  1745-2473. S2CID  31028550.
  12. ^ Eschrig, Matías (2011). "Supercorrientes polarizadas por espín para espintrónica". Física hoy . 64 (1): 43–49. Código bibliográfico : 2011PhT....64a..43E. doi : 10.1063/1.3541944.
  13. ^ Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores
  14. ^ Behin-Aein, B.; Datta, D.; Salahuddin, S.; Datta, S. (2010). "Propuesta de dispositivo lógico de todos los espines con memoria incorporada". Nanotecnología de la naturaleza . 5 (4): 266–270. Código bibliográfico : 2010NatNa...5..266B. doi :10.1038/nnano.2010.31. PMID  20190748.
  15. ^ Manipatruni, Sasikanth; Nikonov, Dmitri E. y Young, Ian A. (2011) [1112.2746] Teoría de circuitos para SPICE de circuitos integrados espintrónicos. Arxiv.org. Recuperado el 21 de octubre de 2013.
  16. ^ Crocus se asocia con Starchip para desarrollar soluciones de sistema en chip basadas en la tecnología de unidad lógica magnética (MLU). crocus-technology.com. 8 de diciembre de 2011
  17. ^ Nueva tecnología innovadora para mejorar la confiabilidad de los circuitos integrados lógicos espintrónicos. Nec.com. 11 de junio de 2012.
  18. ^ S. Manipatruni, DE Nikonov e IA Young, "Modelado y diseño de circuitos integrados espintrónicos", en IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 59, núm. 12, págs. 2801-2814, diciembre de 2012, doi: 10.1109/TCSI.2012.2206465. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6359950&isnumber=6359940
  19. ^ Espintrónica. Sigma-Aldrich. Recuperado el 21 de octubre de 2013.
  20. ↑ Everspin Archivado el 30 de junio de 2012 en Wayback Machine . Everspin. Recuperado el 21 de octubre de 2013.
  21. ^ Hoberman, Barry. El surgimiento de la MRAM práctica Archivado el 21 de octubre de 2013 en Wayback Machine . crocustechnology.com
  22. ^ LaPedus, Mark (18 de junio de 2009) Tower invierte en Crocus y sugiere un acuerdo de fundición MRAM. eetimes.com
  23. ^ Walser, M.; Reichl, C.; Wegscheider, W. y Salis, G. (2012). "Mapeo directo de la formación de una hélice de espín persistente". Física de la Naturaleza . 8 (10): 757. arXiv : 1209.4857 . Código bibliográfico : 2012NatPh...8..757W. doi : 10.1038/nphys2383. S2CID  119209785.
  24. ^ Assadi, MHN; Hanaor, DAH (2013). "Estudio teórico sobre la energética y magnetismo del cobre en polimorfos de TiO 2 ". Revista de Física Aplicada . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Código Bib : 2013JAP...113w3913A. doi : 10.1063/1.4811539. S2CID  94599250.
  25. ^ Ogale, SB (2010). "Dopaje diluido, defectos y ferromagnetismo en sistemas de óxidos metálicos". Materiales avanzados . 22 (29): 3125–3155. Código Bib : 2010AdM....22.3125O. doi :10.1002/adma.200903891. PMID  20535732. S2CID  25307693.
  26. ^ Jonker, B.; Parque, Y.; Bennett, B.; Cheong, H.; Kioseoglou, G.; Petrou, A. (2000). "Inyección de espín eléctrico robusto en una heteroestructura de semiconductor". Revisión física B. 62 (12): 8180. Código bibliográfico : 2000PhRvB..62.8180J. doi : 10.1103/PhysRevB.62.8180.
  27. ^ Hanbicki, AT; Jonker, BT; Itskos, G.; Kioseoglou, G.; Petrou, A. (2002). "Inyección de espín eléctrico eficiente desde un contacto de barrera de túnel/metal magnético en un semiconductor". Letras de Física Aplicada . 80 (7): 1240. arXiv : cond-mat/0110059 . Código Bib : 2002ApPhL..80.1240H. doi :10.1063/1.1449530. S2CID  119098659.
  28. ^ Jiang, X.; Wang, R.; Van Dijken, S.; Shelby, R.; MacFarlane, R.; Salomón, G.; Harris, J.; Parkin, S. (2003). "Detección óptica de inyección de espín de electrones calientes en GaAs desde una fuente de transistor de túnel magnético". Cartas de revisión física . 90 (25): 256603. Código bibliográfico : 2003PhRvL..90y6603J. doi :10.1103/PhysRevLett.90.256603. PMID  12857153.
  29. ^ Kikkawa, J.; Awschalom, D. (1998). "Amplificación de giro resonante en GaAs tipo n". Cartas de revisión física . 80 (19): 4313. Código bibliográfico : 1998PhRvL..80.4313K. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.4313.
  30. ^ Jonker, Berend T. Emisión óptica polarizada debido a la desintegración o recombinación de portadores inyectados con polarización de espín - Patente de EE. UU. 5874749 Archivada el 12 de diciembre de 2009 en Wayback Machine . Expedido el 23 de febrero de 1999.
  31. ^ Lou, X.; Adelmann, C.; Crooker, SA; Garlid, ES; Zhang, J.; Reddy, KSM; Flexner, SD; Palmstrom, CJ; Crowell, Pensilvania (2007). "Detección eléctrica del transporte de espín en dispositivos semiconductores ferromagnéticos laterales". Física de la Naturaleza . 3 (3): 197. arXiv : cond-mat/0701021 . Código bibliográfico : 2007NatPh...3..197L. doi : 10.1038/nphys543. S2CID  51390849.
  32. ^ Appelbaum, yo; Huang, B.; Monsma, DJ (2007). "Medición electrónica y control del transporte de espín en silicio". Naturaleza . 447 (7142): 295–298. arXiv : cond-mat/0703025 . Código Bib :2007Natur.447..295A. doi : 10.1038/naturaleza05803. PMID  17507978. S2CID  4340632.
  33. ^ Žutić, I.; Fabián, J. (2007). "Espintrónica: giros de silicio". Naturaleza . 447 (7142): 268–269. Código Bib :2007Natur.447..268Z. doi : 10.1038/447269a . PMID  17507969. S2CID  32830840.
  34. ^ Holub, M.; Shin, J.; Saha, D.; Bhattacharya, P. (2007). "Inyección de giro eléctrico y reducción de umbral en un láser semiconductor". Cartas de revisión física . 98 (14): 146603. Código bibliográfico : 2007PhRvL..98n6603H. doi :10.1103/PhysRevLett.98.146603. PMID  17501298.
  35. ^ Van Dijken, S.; Jiang, X.; Parkin, SSP (2002). "Funcionamiento a temperatura ambiente de un transistor de túnel magnético de alta corriente de salida". Letras de Física Aplicada . 80 (18): 3364. Código bibliográfico : 2002ApPhL..80.3364V. doi :10.1063/1.1474610.
  36. ^ Jungwirth, T. (28 de abril de 2014). "Enfoques relativistas de la espintrónica con antiferromagnetos" (PDF) (anuncio de un coloquio de física en una universidad de Baviera). Archivado desde el original (PDF) el 29 de abril de 2014 . Consultado el 29 de abril de 2014 .
  37. ^ Esto corresponde matemáticamente a la transición del grupo de rotación SO(3) a su cobertura relativista, el "doble grupo" SU(2)
  38. ^ ab Jungwirth, T.; Martí, X.; Wadley, P.; Wunderlich, J. (2016). "Espintrónica antiferromagnética". Nanotecnología de la naturaleza . 11 (3). Naturaleza Springer: 231–241. arXiv : 1509.05296 . Código Bib : 2016NatNa..11..231J. doi :10.1038/nnano.2016.18. ISSN  1748-3387. PMID  26936817. S2CID  5058124.
  39. ^ ab Gomonay, O.; Jungwirth, T.; Sinova, J. (21 de febrero de 2017). "Conceptos de espintrónica antiferromagnética". Estado físico Solidi RRL . 11 (4). Wiley: 1700022. arXiv : 1701.06556 . Código Bib : 2017PSSRR..1100022G. doi :10.1002/pssr.201700022. ISSN  1862-6254. S2CID  73575617.
  40. ^ Chappert, Claude; Fert, Alberto; van Dau, Frédéric Nguyen (2007). "La aparición de la electrónica de espín en el almacenamiento de datos". Materiales de la naturaleza . 6 (11). Springer Science y Business Media LLC: 813–823. Código bibliográfico : 2007NatMa...6..813C. doi :10.1038/nmat2024. ISSN  1476-1122. PMID  17972936. S2CID  21075877.

Otras lecturas

enlaces externos