Table of Contents

Введение в спинтронику и роль магнитных полей

Спинтроника, сокращение «спиновой транспортной электроники», представляет собой сдвиг парадигмы за пределы обычной зарядовой электроники. Вместо того, чтобы полагаться исключительно на заряд электрона для хранения и обработки информации, спинтронные устройства используют внутренний угловой момент электрона — его спин — в качестве дополнительной степени свободы. Этим двухсостоятельным квантовым свойством (спин-ап или спин-даун) можно манипулировать, обнаруживать и использовать для создания компонентов логики и памяти, которые быстрее, энергоэффективнее и энергонезависимы. Центральным в работе любой спинтронной системы является влияние магнитных полей на электрическую проводимость материалов, в которых находятся эти спин-поляризованные токи. Понимание этого взаимодействия является не просто академическим любопытством; это основополагающий принцип, лежащий в основе таких технологий, как гигантские магнитосопротивление (GMR) считывающие головки, магнитные туннельные соединения (MTJ) в MRAM и новые архитектуры квантовых вычислений.

Электрическая проводимость спинтронного материала не является фиксированным свойством. Она резко меняется при применении внешнего магнитного поля. Эта чувствительность возникает потому, что магнитное поле переориентирует выравнивание спина внутри материала, что, в свою очередь, изменяет то, как электроны рассеиваются при движении. Результирующее изменение сопротивления - называемое магнитосопротивлением - может быть на несколько порядков больше, чем в обычных металлах или полупроводниках. Точно контролируя магнитное поле, инженеры могут переключаться между состояниями с высокой устойчивостью и низким сопротивлением, кодируя двоичные данные или модулируя выход датчика. Эта статья обеспечивает всестороннее, готовое к производству исследование того, как магнитные поля управляют проводимостью в спинтронных материалах, охватывая основную физику, ключевые материальные системы, последствия для устройства и будущие направления исследований.

Спинтронные материалы: типы, свойства и спиновой транспорт

Ферромагнитные металлы и сплавы

Наиболее широко изученные спинтронные материалы — ферромагнеты — материалы, которые сохраняют спонтанную намагниченность ниже температуры Кюри. Переходные металлы, такие как железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), и их сплавы (например, Permalloy Ni80Fe20) являются каноническими примерами. В этих материалах взаимодействие обмена заставляет электроны с большинством спинов (выровненные с намагниченностью) и электроны с меньшинством спинов (противоположно выровненные) иметь разные плотности состояний на уровне Ферми. Эта спиновая поляризация приводит к различной проводимости для двух спиновых каналов. Когда магнитное поле выравнивает домены, общее сопротивление уменьшается, потому что спин-зависимое рассеяние минимизировано — явление, известное как анизотропное магнитосопротивление (AMR). Несмотря на то, что оно было всего лишь несколькими процентами по величине, AMR исторически использовался в ранних магнитных датчиках до открытия гораздо более крупных эффектов.

Более совершенные ферромагнитные сплавы, такие как соединения CoFeB и Heusler (например, Co2MnSi), обеспечивают более высокую поляризацию спина - приближаясь к 100% в полуметаллических ферромагнетиках. В полуметаллах один спиновый канал полностью металличен, а другой изоляционен, что приводит к чрезвычайно большим соотношениям магнитосопротивления. Ключом к достижению такого поведения является тщательно спроектированная структура полосы, которая может быть настроена с помощью состава, деформации и качества интерфейса.

Антиферромагнитные материалы

Антиферромагнетизм недавно стал перспективным материалом спинтронов, несмотря на то, что обладает нулевой чистой намагниченностью. В антиферромагнетизме соседние магнитные моменты выравнивают антипараллельные, отменяя друг друга. Это отмена придает устойчивость к внешним магнитным полям - антиферромагнетизм по своей природе нечувствителен к умеренным возмущениям. Однако исследования за последнее десятилетие показали, что антиферромагнетизм все еще может проявлять большие спин-транспортные эффекты, включая анизотропное магнитосопротивление и спин-орбитальные крутящие моменты. Ключевые примеры включают IrMn, PtMn и NiO. Поскольку антиферромагнетизмы производят незначительные бродячие поля, они позволяют создавать более плотные архитектуры устройств и более быструю динамику переключения (терагерцовые частоты). Магнитные поля влияют на проводимость в этих материалах посредством консервированных спиновых подрешеток или путем изменения спин-орбитальной связи на интерфейсах.

Магнитные полупроводники и топологические изоляторы

Разбавленные магнитные полупроводники (DMS), такие как (Ga,Mn)As, хозяин магнитных ионов (Mn) замещенно в полупроводниковой решетке. Их проводимость сочетает в себе полупроводниковое поведение с магнитно-полевым спиновым расщеплением - явление, называемое аномальным эффектом Холла. Хотя материалы DMS обычно работают при криогенных температурах из-за низких точек Кюри, они остаются ценными для изучения спинового впрыска и манипуляции в настраиваемой зарядом среде.

Топологические изоляторы (ТИ), такие как Bi2Se3 и Bi2Te3, представляют собой более новый класс материалов, где спин-поляризованные состояния поверхности защищены симметрией с разворотом во времени. При приложении магнитного поля он может нарушить эту симметрию и открыть зазор в дисперсии поверхностного состояния, резко изменяя проводимость поверхности. Кроме того, ТИ, сопряженные с ферромагнетами, вызывают эффекты магнитной близости, которые вызывают большое магнитосопротивление через блокировку спин-момента.

Как магнитные поля изменяют выравнивание и рассеяние спинов

Эффект Зеемана и поляризация спина

Когда внешнее магнитное поле B прикладывается к спинтронному материалу, оно оказывает крутящий момент на магнитные моменты электронов — явление, описанное взаимодействием Зеемана. Энергия спинового состояния становится пропорциональной его проекции вдоль поля, расщепляя спин-вверх и спин-вниз популяции. При равновесии это приводит к чистой спиновой поляризации: больше электронов занимают спиновое состояние с более низкой энергией, выровненное с полем. Эта повышенная спиновая поляризация напрямую влияет на плотность состояний, доступных для проводимости на уровне Ферми, тем самым изменяя электрическое сопротивление материала. В ферромагнетах, где внутренние обменные поля уже велики, приложенное поле в первую очередь вращает намагниченность, а не создает новый спиновой дисбаланс; эффект все еще глубок для движения доменной стенки и спин-зависимого рассеяния на интерфейсах.

Спин-зависимое рассеяние и двухточная модель

Электрический транспорт в ферромагнитных металлах наиболее изящно описан двухтоковой моделью, впервые предложенной Моттом. На этой картине спин-ап и спин-даун электроны проводят электричество параллельно, каждый канал имеет собственное сопротивление (ρ↑ и ρ↓).Полное сопротивление дается 1/ρtot = 1/ρ↑ + 1/ρ↓. При отсутствии спин-флип-рассеивания (спин-смешивания) эти два канала независимы. Магнитные поля преимущественно влияют на скорости рассеяния, выравнивая намагниченность (и, следовательно, спин-канальные популяции) с полем. При намагничении насыщен канал меньшинства-спина (который обычно имеет более высокое сопротивление из-за более сильного рассеяния из 3d-состояний) обезлюдевает; канал большинства доминирует, уменьшая общее сопротивление. Это микроскопическое происхождение анизотропного магнитосопротивления, а также эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных структурах.

Сопротивление стене домена

Магнитные поля действуют не только на равномерное намагничивание; они также влияют на структуру и движение доменных стенок — границы между различными намагниченными областями. Когда доменная стенка охватывает ширину, сравнимую со средним свободным путем электрона, она действует как центр рассеяния. Вращение пересекающего электрона должно адиабатически вращаться, чтобы следовать местному намагничению; неадиабатические процессы вызывают спин-флип-рассеивание и дополнительное сопротивление. Внешнее магнитное поле может сжимать или расширять доменные стенки, может перемещать их (распространение доменной стенки) или может полностью устранить их, насыщая образец. Следовательно, вклад доменной стенки в электрическое сопротивление может быть настроен приложенным полем, добавив еще один слой к ответу на магнитосопротивление.

Ключевые явления магниторезистентности

Гигантское магниторезистентность (GMR)

Обнаруженный в 1988 году Альбертом Фертом и Питером Грюнбергом (совместно Нобелевская премия по физике, 2007), GMR происходит в многослойных тонкопленочных структурах, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных металлических слоев.Когда намагниченность двух соседних ферромагнитных слоев параллельна, спин-ап электроны проходят через весь стек с низким рассеянием; когда антипараллельно, каждый спиновый канал испытывает высокое рассеяние в одном из слоев, что приводит к высокому сопротивлению. Изменение сопротивления может быть до 50%-100% при комнатной температуре, что намного превышает обычную AMR. GMR является основой современных магнитных головок чтения, используемых в жестких дисках, что позволяет экспоненциальному росту плотности ареала за последние три десятилетия.

Роль внешнего магнитного поля заключается в переворачивании ориентации одного из слоев (часто через магнитно мягкий свободный слой) при сохранении другого прикрепленного через смещенность обмена антиферромагнетиком. Полученное параллельное или антипараллельное выравнивание непосредственно контролирует общее сопротивление, делая устройства GMR чувствительными датчиками магнитного поля. Последние достижения расширили GMR до органических полупроводников и молекулярных соединений, где длина спиновой диффузии может быть удивительно длинной.

Туннельное магниторезистентность (TMR)

TMR является квантово-механическим родственником GMR, происходящим в магнитном туннельном соединении (MTJ): два ферромагнитных электрода, разделенных ультратонким изоляционным барьером (обычно Al2O3 или MgO). Электроны туннель через барьер, и вероятность туннелирования зависит от относительной ориентации намагниченности электродов. Когда намагниченность параллельна, проводимость высока, потому что одни и те же спиновые состояния доступны с обеих сторон; когда антипараллельное, проводимость низкая. Соотношение TMR определяется как (RAP — RP/RP и может превышать 600% в кристаллических МГО на основе MTJ при комнатной температуре.

Применяя магнитное поле, вращает свободный слой относительно защемленного слоя, переключая MTJ между состояниями с высокой и низкой устойчивостью. Это бинарное поведение делает MTJ идеальными для энергонезависимой магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM). Поле, необходимое для переключения свободного слоя, определяется его анизотропией формы, магнитокристаллической анизотропией и бродячими полями из защемленного слоя. В продвинутых конструкциях MRAM процесс записи осуществляется спин-переносным крутящим моментом (STT), а не внешним магнитным полем, но считывание по-прежнему зависит от TMR как функции состояния намагниченности свободного слоя.

За пределами магниторезистентности: расширенные полевые эффекты

Spin Hall Magnetoresistance (SMR)

SMR — явление, наблюдаемое в бислоях, состоящих из тяжелого металла (например, Pt, Ta, W), примыкающего к магнитному изолятору (например, YIG). Эффект спин-холла в тяжелом металле генерирует поперечный спиновой ток, который может поглощаться или отражаться на интерфейсе, в зависимости от ориентации намагниченности. Внешнее магнитное поле вращает намагниченность, модулируя поглощение спина и, таким образом, электрическое сопротивление тяжелого металла. SMR появился как мощный инструмент для исследования спинового транспорта в изоляторах без электрических токов, протекающих в магнитном слое, открывая проспекты для спинтроники с низким рассеиванием.

Колоссальное магниторезистентность (CMR)

CMR - это резкое изменение сопротивления (до нескольких порядков величины), наблюдаемое в некоторых перовскитах оксида марганца, таких как La1-xCaxMnO3. Хотя эффект намного больше, чем GMR, он обычно требует низких температур и высоких магнитных полей, ограничивая коммерческие применения. CMR приводится в действие механизмом двойного обмена: магнитные поля выравнивают спины марганца, усиливая электронный скачок между Mn3 + и Mn4 + ионами, тем самым снижая сопротивление. Основная физика неразрывно связана с переходами металл-изолятор и разделением фаз, что делает его богатым полем для фундаментальных исследований.

Последствия для технологий устройств

Магнитные головки и датчики

Наиболее распространенным применением проводимости, контролируемой магнитным полем, в спинтронике является магнитная головка чтения. Каждый жесткий диск, изготовленный сегодня, использует датчик GMR или TMR для обнаружения крошечных магнитных полей, хранящихся на диске. Сопротивление датчика изменяется по мере прохождения битовых переходов диска внизу, генерируя электрический сигнал, который декодируется в данные. Крайняя чувствительность - вплоть до уровней пикоТесла для оптимизированных MTJ - позволяет плотность данных за 1 терабит на квадратный дюйм. Помимо хранения данных, датчики магнитного поля, построенные на тех же принципах, используются в автомобильном зондировании положения, мониторинге тока и биомедицинском обнаружении (например, магнитокардиография).

Магнитная память случайного доступа (MRAM)

MRAM сочетает в себе скорость статической ОЗУ с неволатильностью флэш-памяти. Каждый бит памяти состоит из MTJ; магнитное поле из соседнего провода, несущего ток (MRAM первого поколения) или из самого спин-поляризованного тока (STT-MRAM) переключает намагниченность свободного слоя. Считывание выполняется путем измерения сопротивления TMR. Технология значительно созрела; встроенная STT-MRAM в настоящее время находится в объемном производстве для микроконтроллеров и изучается для кэш-памяти в процессорах. Способность магнитных полей вызывать большое изменение сопротивления без движущихся частей или высоких напряжений является ключом к выносливости, скорости и низкому энергопотреблению MRAM.

Новые концепции: Скирмионы, спиновые волны и квантовые вычисления

Магнитные скирмионы — топологически защищенные спиновые текстуры — могут перемещаться с помощью сверхнизких плотностей тока и могут быть обнаружены с помощью топологического эффекта Холла. Применение внешнего магнитного поля стабилизирует или дестабилизирует скирмионные решетки, модулируя общую электрическую проводимость. Воспоминания на основе скирмиона обещают беспрецедентную плотность хранения и энергоэффективность. Аналогично, магнонические устройства используют спиновые волны (коллективные возбуждения намагниченности) для передачи информации. Магнитное поле настраивает отношение дисперсии магнона, влияя на то, как спиновые волны распространяются и мешают — это может быть использовано для управления магнитосопротивлением магнонского транзистора.

В квантовых вычислениях спиновые кубиты в квантовых точках или атомах-донорах требуют точного управления магнитным полем для манипулирования спиновым состоянием. Хотя проводимость здесь не является основной метрической величиной, для считывания состояния кубита с помощью спинозависимого туннелирования используются те же спинтронные материалы и принципы (например, электростатическое спиновое галстукирование). Взаимодействие между магнитными полями и электрическим транспортом остается краеугольным камнем практической квантовой обработки информации.

Будущие направления: материалы, интерфейсы и полевая инженерия

Новые материалы: 2D магниты и антиферромагнетики

Открытие внутренних двумерных магнитов, таких как CrI3, Cr2Ge2Te6 и Fe3GeTe2, открыло новую игровую площадку для изучения взаимодействий магнитного поля-проводимости на атомно тонком пределе. Эти материалы демонстрируют устойчивый ферромагнетизм вплоть до толщины монослоя и могут быть уложены с другими 2D-кристаллами (графен, гексагональный нитрид бора) для формирования гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Магнитное поле влияет на туннельное магнитосопротивление через 2D MTJ с беспрецедентной чувствительностью к порядку укладки и углу поворота. Антиферромагнитные изоляторы с сильной спин-орбитальной связью, такие как α-Fe2O3 и MnTe, исследуются для сверхбыстрого переключения (~0,1 пс) и для генерации спиновых токов через спин-орбитальный крутящий момент Néel. Их проводимость (или ее отсутствие) под магнитными полями является богатой областью фундаментального исследования.

Инженерия интерфейса и полевой контроль

Интерфейс между ферромагнетиком и немагнитным металлом (или 2D-материалом) часто доминирует над общим магнитосопротивлением. При проектировании выравнивания полос, введении кислородных вакансий или улавливании с тяжелыми металлами исследователи могут усилить спин-зависимое рассеяние или туннелирование. Электрические поля от затворного электрода могут дополнительно настраивать межфазную спин-орбитальную связь, эффективно позволяя контролировать напряжение магнитосопротивления. Такие многоферроические подходы могут привести к устройствам, где как электрические, так и магнитные поля совместно контролируют электрическую проводимость с минимальным рассеиванием энергии.

Высокочастотные и сверхбыстрые явления

Реакция спинтронных материалов на изменяющиеся во времени магнитные поля (терагерцовые частоты) является новым рубежом. Короткие импульсы интенсивных магнитных полей могут переключать намагниченность в антиферромагнетиках в течение нескольких сотен фемтосекунд, предлагая путь для записи данных со скоростью, намного превышающей текущую электронику. Сопутствующие переходные изменения проводимости, наблюдаемые с помощью терагерцовой спектроскопии с временным разрешением, показывают неравновесную спиновую динамику и генерацию спинового тока. Эта область соединяет фундаментальную физику конденсированного вещества с технологиями связи и вычислений следующего поколения.

Проблемы в использовании магнитных полевых эффектов

Несмотря на впечатляющий прогресс, остаются несколько препятствий. Величина магнитосопротивления в практических устройствах часто уменьшается с увеличением температуры из-за увеличения спин-флип рассеяния. Снижение плотности рабочего тока для спин-торк переключения без ущерба для термической стабильности требует тщательного балансирования анизотропии, демпфирования и спиновой поляризации. Кроме того, интеграция спинтронных материалов с процессами литейного производства CMOS требует, чтобы магнитные слои выдерживали высокие температуры (≥400 °C) без потери их магнитных свойств. Беглые поля из плотных массивов MRAM могут вызывать непреднамеренную связь между соседними битами, ограничивая дальнейшее масштабирование. Исследователи активно изучают перпендикулярные магнитные анизотропные материалы, композиты с обменной связью и синтетические антиферромагнеты для смягчения этих проблем.

Заключение

Влияние магнитных полей на электропроводность спинтронных материалов является богатым и многогранным предметом с глубоким технологическим воздействием. От гигантского эффекта магнитосопротивления, который произвел революцию в хранении данных до туннелирования магнитосопротивления, позволяющего нелетучую память, способность манипулировать спин-поляризованным электронным транспортом с внешними полями была преобразующей силой в электронике. По мере того, как мы продвигаемся к терагерцовому переключению, логике на основе скирмиона и квантовым вычислениям, необходимо более глубокое понимание микроскопических механизмов, включая спин-зависимое рассеяние, динамику доменной стенки и спин-орбитальное взаимодействие. Следующее поколение спинтронных устройств будет полагаться на передовые материалы, такие как 2D-магниты, топологические изоляторы и инженерные интерфейсы, все из которых требуют точного контроля магнитных полей для достижения желаемых электрических свойств. Овладев этим взаимодействием, исследователи и инженеры будут продолжать разблокировать более быстрые, плотные и более энергоэффективные вычислительные парадигмы.

Для дальнейшего чтения по фундаментальной физике спинового транспорта см. обзор Жутича, Фабиана и Даса Сармы в Обзоры современной физики (2004) Для всестороннего обзора устройств GMR и TMR классический учебник Хироты и Имамуры неоценим. Последние достижения в антиферромагнитной спинтронике рассматриваются в Материалы обзоров природы (2018) .