Spintronika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A spintronika egy új perspektivikus iparág. A spintronika a spin és az elektronika szavak összevonásából kialakított új szó, fogalom.

Régóta ismert tény, hogy az elektromos töltés mellett az elektron spinnel is rendelkezik. A kvantummechanika hajnalán -1922- ben – a Stern–Gerlach-kísérlet bizonyította be a spin létezését.

A napjaink technikáját meghatározó elektronika iparág olyan eszközökön alapul, amelyekben csak az elektron töltését használják ki. Az utóbbi években azonban megjelentek újfajta, nanotechnológia felhasználásával készített eszközök is, amelyek működési elvét az elektron kétféle spinbeállási lehetősége biztosítja, megteremtve ezáltal egy új, perspektivikus iparág, a spintronika alapjait.

A spintronika születése az óriás mágneses ellenállás felfedezésétől számítható. Az óriás mágneses ellenállást (GMR, Giant MagnetoResistance ) 1988-ban fedezték fel. A felfedezéséért, 2007-ben fizikai Nobel-díjat kapott megosztva Albert Fert (1938- ) francia fizikus és Peter Grünberg (1939- ) német fizikus.

A GMR felfedezése katalizált sok egyéb, már korábban megindult, ma már spintronikainak nevezett egyéb kutatást is, illetve teljesen új spintronikai kutatási területek is megjelentek. Az előbbiekre példa az alagutazó mágneses ellenállás (angolul: tunnelling magnetoresistance = TMR) vizsgálata FM-fém/szigetelő/FM-fém heterostruktúrákban, a spintranzisztor fejlesztése, a mágneses félvezetők kutatása, utóbbiakra példa a GMR-szerkezetek és félvezetők kombinálásából álló hibrid eszközök létrehozása vagy az áram indukálta átmágnesezési folyamatok vizsgálata. Mindezek tulajdonképpen egy spintronikai iparág megalapozását jelentik, az alagutazó mágneses ellenállásra alapozott mágneses (vagy igazából inkább magnetorezisztív) RAM-memóriák (MRAM) fejlesztése például már nagy intenzitással folyik világszerte.

Spin-szelep[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A GMR-jelenség érzékelőkben való sikeres alkalmazásához vezető úton az úgynevezett spinszelep - szerkezet bevezetésével Parkin és munkatársai[1] 1991-ben további lényeges javulást értek el a mágneses ellenállás karakterisztikában, amely lehetővé tette az elrendezés gyakorlati felhasználását.

Spinszelep

Az ábrán egy spinszelep látható. Ez egy háromrétegű úgynevezett spinszelep, szokták szendvics szerkezetnek, vagy GMR szerkezetnek is hívni. Az egész szerkezet 30 nm nagyságrendű. Az FM = ferromágnes, NM = antiferromágnes, a nyilak oldalt mutatják a spin beállást, az FM rétegben a nyilak a mágnesezettség irányát mutatják. Ha elektródot csatlakoztatunk a két ferromágneses réteghez, akkor áramot mérhetünk a szerkezet ellenállásától függően. A spinszelep alkalmas kis mágneses terek mérésére, érzékelésre, mivel a GMR szerkezet ellenállása változik a külső mágneses tér hatására.

Az áthaladó elektronok jobban szóródnak ha két FM réteg mágnesezettségének iránya ellentétes és ilyenkor az ellenállás jóval nagyobb, mint akkor, amikor két FM réteg mágnesezettségének iránya azonos. Az ekvivalens elektromos ellenállást alul látható.

Diszk olvasófej[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az utóbbi években a merevlemez olvasó fejekben kizárólag spin-szelep alapú eszköz található. Az IBM animációján [2] követhető a korszerű merevlemez olvasófej működése. Korábban az író és olvasó fej elemei egy egységet képeztek. A GMR hatás alkalmazásával a lemezen kódolt biteket megjelenítő mágneses jelek érzékelése hatékonyabbá vált, az író és olvasó fejek különváltak. Az író fej működése vékony rétegű induktív hatáson alapul, az olvasó fej a GMR hatáson alapuló mágneses ellenállás érzékelése alapján működik és ezáltal nagyobb bitsűrűség érhető el. Az olvasófejben lévő spin–szelep alatt elhaladó – a bit értékének megfelelő – mágneses tartomány változtatja a spin-szelep ellenállását, és ez áram méréssel elektromos jellé alakítható.

MRAM[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az MRAM (Magnetic vagy Magnetoresistive RAM=mágneses (ellenállású) RAM) funkciójában hasonló a már régóta használatos RAM memóriákhoz. Az MRAM eszközökben az információ tárolása viszont nem az elektronok töltésén, hanem az elektronok spin beállásán alapul. Az MRAM – hasonlóan a spin-szelephez – két ferromágneses lemezből áll, amelyeket egy vékony, néhány atomnyi szigetelő réteg választ el. Az egyik réteg állandó mágnes (fixed vagy magnetic pinned layer), a másik ferromágneses réteg (magnetic free layer) mágneses momentuma változtatható. Ez a szerkezet egy bit tárolására alkalmas. A két ferromágneses réteget elválasztó szigetelő réteg a mágneses alagút hatás (TMR=tunnelling magnetoresistance) alapján működik. A MRAM több millió ilyen spin-szelepből kialakított hálózatból épül fel.

Spinszelep

A bit értékének kiolvasása a villamos ellenállás mérésén alapul. A kiválasztott cellát a csatlakozó tranzisztor látja el árammal. A mágneses alagút hatás miatt a cella ellenállása a két réteg mágneses tere szerint változhat. Az ellenállás által meghatározott áram mérése és a szabad réteg mágneses polaritása határozza meg a bit értékét. ha a két réteg azonos polaritású, az az “1”-nek felel meg, amikor az ellenállás nagyobb, akkor a bit értéke “0”.

Az MRAM nem-felejtő tároló, mivel a tápegység kikapcsolása után is a rétegek mágneses polaritása, és így a tárolt információ megmarad. A kereskedelemben 1990 óta kapható MRAM, de elterjedést jelenleg akadályozza a még jóval magasabb ára, a hasonló kapacitású forgalomban lévő tárolókhoz képest. Egy olcsóbb MRAM fejlesztésén több kutatóhelyen is dolgoznak.

Spintranzisztor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Először 1990-ben [3] merült fel a gondolat egy mágneses alapon működő tranzisztor kifejlesztésére. A spin tranzisztor működése is az elektronok kvantummechanikai tulajdonságán alapulna, azaz a spin fel- illetve lefele mutató polarizáltságán. Számos helyen kísérleteznek, kutatják a megoldást. Jelenleg nincs a kereskedelmi forgalomban lévő spin tranzisztor.

Távlatok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A GMR felfedezése a 90-es évek elején elindította a spintronikai fejlesztéseket. Jelenleg az egyetlen nagy tömegben forgalomban lévő eszköz a merevlemezek olvasófejének spintronikai kialakítása. Minden forgalomban lévő számítógépben ez a megoldás található. Az MRAM jobbnak ígérkező paraméterei miatt intenzív fejlesztés folyik a jelenlegi memóriák kiváltásáért. A mágneses félvezetők kutatása számos megoldáshoz vezethet a GMR alapú szerkezeteknek a számítástechnikai eszközökben történő jövőbeni felhasználásához, amely által további miniatürizálás és kisebb fogyasztás érhető el.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. http://www.research.ibm.com/research/gmr.html
  2. http://www.research.ibm.com/research/demos/gmr/index.html
  3. Datta, S and B. Das (1990.). „Electronic analog of the electrooptic modulator”. Applied Physics Letters 56, 665–667. o.  

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]