Spinnoverføring
Fenomenet spinnoverføring , eller spinnoverføringsmoment , oppstår når en spinnpolarisert strøm passerer gjennom et magnetisk materiale. Denne interaksjonen resulterer i at et par blir utøvd på magnetiseringen av dette faste stoffet. På denne måten er det mulig å handle på magnetiseringen uten å bruke et magnetfelt. Dette fenomenet ble først teoretisk spådd uavhengig av L. Berger (Canergie Mellon U., USA) og J. Slonczewski (IBM Yorktown Heights) i 1996, og ble deretter demonstrert eksperimentelt av Sun i nanostrukturerte magnetstabler i form av søyler. Med den gigantiske magnetoresistensen utgjør spinnoverføringen de essensielle byggesteinene i spintronics .
Introduksjon
Spinnoverføring er et fenomen i fysikk med kondensert materie, som involverer transportegenskapene til elektroner i magnetiske materialer. Den praktiske realiseringen av eksperimentelle enheter som kan demonstrere det krever de mest moderne nanofabrikasjonsteknikkene, i dette tilfellet den fra mikroelektronikkindustrien. Som sådan har det dratt nytte av de mange anstrengelsene som produsenter av elektroniske hukommelser har investert i å designe radikalt nye komponenter, spesielt den nyeste generasjonen harddisker med høy tetthet og MRAM , begge basert på fenomenet magnetresistens , et fenomen relatert til det ikke bli forvirret.
Siden det er et grensesnittfenomen, er spinnoverføringen bare av tilstrekkelig intensitet til å oppdages i tynne lag med nanometrisk tykkelse.
Historisk
De store datoene
- 1996: JC Slonczewski spår at elektroner i en spinnpolarisert elektrisk strøm kan utveksle magnetisk momentum med magnetiske atomer i et fast stoff
- 1996: artikkel av L. Berger som demonstrerer eksistensen av en identisk effekt i en bunke med magnetiske lag
- 1999: første eksperimentelle bevis på at magnetisering
- 2003: Kisilev et al. bruk spinnoverføring for å spinne magnetiseringen av et magnetisk lag, ganske enkelt ved å injisere likestrøm
Kontekst
Laboratoriene til IBM-selskapet er historisk sett veldig involvert i forskning på magnetisme. Fra 1950-tallet designet ingeniører magnetiske kjerneminner. Så oppfant de bobleminner ved å bruke forskyvning av vegger til magnetiske domener. Innovasjoner uten mye kommersiell suksess. Anvendelsen av gigantisk magneto-motstand på lesehodene på datamaskinens harddisker vil derimot være en imponerende teknologisk og industriell revolusjon. Kapasitet øker eksponentielt, ubarmhjertig bekreftelse av Moores lov. Hitachi GST har siden tatt over virksomheten fra IBM. Men vitenskapelig kunnskap har gjort det mulig for IBM å være i front i studiet av spinnoverføring, takket være grunnleggerarbeidet til teoretikeren JC Slonczewski, og mestring av nanofabrikasjon av SPP Parkin for eksempel.
Siden da har store produsenter (IBM, Sony, Freescale) gjort fremskritt like mye som av akademiske laboratorier. Merk at Frankrike er spesielt i front på dette området, som er den logiske utvidelsen av GMR. Albert Ferts Nobelpris i 2007 tilegnet også denne oppdagelsen i Orsay. Laboratoriene til CNRS-Thalès og IEF i Paris og CEA-Spintec i Grenoble er de mest aktive. I USA kan vi sitere NIST (Boulder, Colorado) og Cornell University.
Teoretisk beskrivelse
Magnetisme og elektronisk transport i faste stoffer
De grunnleggende konseptene som trengs for å forstå spinnoverføring er:
- spinn : det eksakte begrepet er magnetisk moment for spinn . Det er ikke et vinkelmoment, forvirring på grunn av synet av et elektron som spinner på seg selv.
- spinnestrøm: det er en strøm av spinnmoment
- magnetisering : magnetisering er gjennomsnittet av alle magnetiske øyeblikk av atomene til et fast stoff. I hovedsak er dette spinnmomentene som bæres av uparrede elektroner fra atomets ytre lag. I et magnetisk materiale, hvis den termiske omrøringen ikke er for stor, er ikke dette gjennomsnittet null: det er et nettomagnetisk moment som kan observeres i makroskopisk skala.
Disse definisjonene viser tydelig at spinnoverføringen er det statistiske resultatet av et kvantefenomen.
I et enkelt magnetisk lag
Spinnoverføring er egentlig et grensesnittfenomen. La oss vurdere det enkleste tilfellet, at der en elektrisk strøm søker å trenge inn i et magnetisert magnetisk materiale.
Spinnoverføringen er resultatet av en bevegelse av hvert isolerte spinn under bevegelsen og av en statistisk effekt på settet med spinn for strømmen som krysser grensesnittet.
I et metallkryss
Hva mener vi med metallisk kryss? Det er en stabel med tynne lag som består av to magnetiske lag adskilt av et veldig tynt ikke-magnetisk lag (ofte kalt et mellomrom).
I et tunnelkryss
Prinsippet er identisk med metallkryss. Et av de magnetiske lagene fungerer som en polarisator for elektronstrømmen, og det andre laget fungerer som en analysator. Imidlertid er avstandsstykket i et tunnelkryss en isolerende barriere, og transporten styres av tunneleffekten. Fysikken ved grenseområdet for barriere / frilag er vesentlig forskjellig fra den som er involvert i krysser av metall.
Nanopillars
Det er den foretrukne geometrien for å markere spinnoverføringen. Når lagstabelen er formet i form av en søyle, har magnetiseringen av de magnetiske lagene to privilegerte retninger, avhengig av formen på søylen: det er et bi-stabilt system. Systemets tilstand kan leses gjennom magnetomotstanden. Enhver endring i retningen av magnetiseringen er så lett å oppdage.
Gitt tegningskonvensjonene, vises felt / nåværende fasediagram i figuren (skal inkluderes).
applikasjoner
Fordeler og ulemper
Spinnoverføringen har ennå ikke gjort kommersialisert bruk, bortsett fra i form av demonstranter. Imidlertid er de potensielle applikasjonene mange. Faktisk gjør det det mulig å manipulere magnetiseringen lokalt uten å ty til et eksternt magnetfelt, på nanometrisk skala og på nanosekund skala. Fordelene er mange:
- lavt energiforbruk
- fravær av interaksjon med nabokomponenter, noe som gjør det mulig å plassere et stort antall komponenter på samme brikke. I et tradisjonelt MRAM-minne manipuleres hver bit av et magnetfelt opprettet i nærheten, hvis intensitet avtar i 1 / r; risikoen for kryssvalg er potensielt betydelig
- det vises med direkte strømmer, lett å generere i en chip
Spinnelektronikk
I nær framtid kunne vi se utseendet på markedet av produkter som sannsynligvis vil bruke spinnoverføring:
- magnetisk minneelement (STT-MRAM)
- sirkulært elektronisk minne
- elektronisk frekvensoscillator som kan styres av likestrøm (frekvensmodulering)
- ultralav magnetfeltdetektor
- mikrobølgeovn deteksjoner