ספינטרוניקה

ספינטרוניקה היא טכנולוגיה בהתהוות אשר שואפת לנצל את הספין של אלקטרונים והמומנט המגנטי שלהם, בנוסף למטען החשמלי, ביישומים של חישה, שמירת מידע ועיבודו.

כללי

מקורו של המחקר המדעי בספינטרוניקה בגילויין, בשנות ה-80 של המאה ה-20, של תופעות הקושרות בין המוליכות לספין של האלקטרונים נושאי המטען. תופעות אלה כוללות את ההזרקה של אלקטרונים מקוטבי-ספין ממתכת פרומגנטית למתכת רגילה (על ידי ג'ון וסילסבי ב-1985) וכן את גילוי ההתנגדות המגנטית העצומה (giant magnetoresistance, GMR, שנתגלתה בנפרד על ידי אלבר פר וקבוצתו וכן על ידי פטר גרינברג וקבוצתו ב-1988).

התגלית של פר וגרינברג הביאה במהרה לפיתוח ההתקן שנחשב למוצר הספינטרוני המסחרי הראשון - קורא דיסק קשיח המבוסס על אפקט ההתנגדות המגנטית העצומה. התקן זה אפשר להקטין את הראש המשמש לקריאת המידע מהדיסק הקשיח, מה שאיפשר להקטין את גודלם של הביטים המגנטיים ולדחוס יותר מידע על שטח הדיסק. יישום נוסף אשר כבר הפך מסחרי הוא זיכרון גישה אקראית מגנטי (MRAM - magnetic RAM). יתרונו במהירותו ובאי נדיפותו, מה שמאפשר לשמור על המידע לאורך זמן ללא מקור אנרגיה. זיכרון מסוג זה משמש בכונני SSD הפועלים במהירות גדולה מאות מונים מדיסקים מסורתיים, אך מחירם גבוה יותר.

באלקטרוניקה רגילה נעשה שימוש בזרמים של אלקטרונים, וכל מוליך יכול להימצא באחד משני מצבים: מצב שבו זורם זרם, ומצב שבו לא זורם זרם. בזרמים אלו זורמים בערבוביה אלקטרונים עם שני סוגי ספין: ספין "למעלה" וספין "למטה". הרעיון מאחורי הספינטרוניקה הוא ששימוש מושכל בכל ספין בנפרד יכול לשכלל את היכולות של מערכות מידע לשמור ולעבד מידע, הן על ידי רמת האינפורמציה שמאפשרת שליטה בספין והן על ידי אינטראקציות מגנטיות שמתאפשרות על ידי זרמים של מומנט מגנטי.

תאוריה

תכונת הספין מבטאת את התנע הזוויתי העצמי של האלקטרון והיא תכונה נפרדת מתכונת התנע הזוויתי האורביטלי של האלקטרון הנובעת מתנועתו. גודל ההיטל של ספין האלקטרון על ציר שרירותי כלשהו שווה ל- ${\frac {1}{2}}\hbar$ , מכאן נובע כי האלקטרון מתנהג כפרמיון על פי משפט ספין-סטטיסטיקה.

כמו התנע הזוויתי האורביטלי לספין יש מומנט מגנטי שגדלו מבוטא באמצעות הנוסחה הבאה:

\mu ={\frac {\sqrt {3}}{2}}{\frac {q}{m_{e}}}\hbar

כאשר $q$ ו - $m_{e}$ הם מטען ומסת האלקטרון בהתאמה.

כשהחומר נמצא במצב מוצק הספינים של האלקטרונים הרבים הנמצאים בו יכולים לפעול יחד כדי להשפיע על התכונות המגנטיות והאלקטרוניות של החומר. לדוגמה, הפיכת חומר בעל מומנט מגנטי פאראמגנטי לפרומגנט.

בחומרים רבים, הספינים של האלקטרונים נמצאים במידה שווה במצבים האנרגטיים השונים של ספין חיובי (ספין "מעלה") ושלילי (ספין "מטה"), ומאפייני המעבר בין רמות אנרגיה אלו לא תלויים בספין. מכשיר המבוסס על ספינטרוניקה דורש הוספת אלקטרונים מקוטבי ספין או תמרון באוכלוסיית האלקטרונים הקיימת, וכתוצאה מכך יצירת עודף של אלקטרוני מקוטבי ספין חיובי (ספין "מעלה") או שלילי (ספין "מטה"). הקיטוב הכללי עבור כמות אלקטרונים $X$ מוגדר כך:

P_{X}={\frac {X_{\uparrow }-X_{\downarrow }}{X_{\uparrow }+X_{\downarrow }}}

.

כאשר $X_{\uparrow }$ ו - $X_{\downarrow }$ הם כמויות האלקטרונים מקוטבי הספין החיובי (ספין "מעלה") והספין השלילי (ספין "מטה") בהתאמה.

רשת של ספינים המקוטבים בכיוון אחד ניתנת להשגה על ידי יצירת פיצול אנרגיה בשיווי משקל בין ספין חיובי לספין שלילי כגון הכנסת החומר לשדה מגנטי חזק (אפקט זימן) או על ידי שימוש באנרגיית השחלוף הקיימת בחומר פרומגנטי. משך הזמן שבו מצב זה של אי שיווי משקל נשמר מוגדר כזמן החיים של הספין, $\tau$ . במוליך דיפוזי, אורך דיפוזיית הספין, $\lambda$ , יכול להיות מוגדר גם כמרחק שבו אוכלוסיית הספינים במצב אי שיווי משקל יכולה להתקדם. אורכי חיי הספינים של אלקטרוני הולכה במתכות קצרים יחסית (הזמן האופייני הוא פחות מ-1 ננו-שנייה) ויש מאמץ מחקרי גדול לנסות ולראות כיצד ניתן להגדיל אורך חיים זה לסקלות הזמן הרלוונטיות מבחינה טכנולוגית.

יש מנגנוני דעיכה רבים לאוכלוסיית ספין מקוטב, אם כי ניתן לסווגם במבט מקרוסקופי כפיזור ספין וביטול מופע ספין. פיזור ספין הוא תהליך בתוך מוצק שאינו משמר ספין ולכן הספין המקוטב שנכנס למערכת יכול לעבור במנגנון הזה ממצב ספין "מעלה" למצב ספין "מטה". ביטול מופע ספין הוא התהליך שבו אוכלוסייה של אלקטרונים עם מצב ספין זהה (כולם או במצב ספין "מעלה" או במצב ספין "מטה") הופכת פחות מקוטבת לאורך זמן בשל שיעורים שונים של נקיפת ספין האלקטרון. במבנים מוגבלים ניתן לדכא תהליך זה, מה שמוביל להגדלת אורך החיים של הספינים לסדר גודל של מילי שניות בנקודות קוונטיות של מוליכים למחצה בטמפרטורות נמוכות.

על ידי לימוד חומרים חדשים ומנגנוני דעיכה, החוקרים בתחום מקווים לשפר את הביצועים של מכשירים מעשיים, וכן את המחקר של בעיות בסיסיות בפיזיקה של חומר מעובה.

מכשירי ספינטרוניקה מבוססי מתכת

השיטה הפשוטה ביותר לייצור זרם ספינים מקוטבים במתכת היא להעביר את הזרם דרך חומר פרומגנטי. היישומים הנפוצים ביותר של אפקט זה כוללים התקני התנגדות מגנטית עצומה (GMR).מכשיר GMR טיפוסי מורכב מלפחות שתי שכבות של חומרים פרומגנטיים מופרדים על ידי שכבת רווח. כאשר שני וקטורי המגנוט של שכבות הפרומגנטיים מיושרים לאותו כיוון, ההתנגדות החשמלית תהיה (כך שזרם גדול של ספינים מקוטבים נע במתח קבוע) קטנה יותר מאשר אם וקטורי המגנוט של שכבות הפרומגנטיים הם בכיוונים מנוגדים. מכשיר זה מהווה חיישן לשדה מגנטי.

שתי גרסאות של GMR יושמו במכשירי ספינטרוניקה מבוססים מתכת:

(Current-In-Plane (CIP - התקן שבו הזרם החשמלי זורם במקביל לשכבות הפרומגנטיים.
(Current-Perpendicular-to-Plane (CPP - התקן שבו הזרם החשמלי זורם בניצב לשכבות הפרומגנטיים.

התקני ספינטרוניקה מבוססים מתכת אחרים:

(Tunnel Magneto Resistance (TMR - התקן שבו תחבורת CPP מושגת על ידי שימוש במנהור קוונטי

מכני של האלקטרונים דרך מבודד דק המפריד בין שכבות פרומגנטיות.

מומנט העברת ספין - התקן שבו זרם של אלקטרונים מקוטבי ספין משמש כדי לשלוט על כיוון המגנטיזציה של האלקטרודות הפרומגנטיות במכשיר.
התקני גל ספין לוגיים - התקן המנצל את הפאזה של גל האלקטרונים מקוטבי הספין לנשיאת מידע. כל הפרעה ופיזור של גל הספינים מנוצלים לביצוע פעולות לוגיות.

יישומים מבוססי מתכת

ראשי קריאה של כוננים קשיחים מודרניים מבוססים על אפקט GMR או TMR.
חברת מוטורולה פיתחה דור ראשון של זיכרון גישה אקראית מגנטי של 256 קילובייט (MRAM) המבוסס על צומת מנהור מגנטית יחידה וטרנזיסטור בודד. ל-MRAM יש מחזור קריאה / כתיבה קטן מ-50 ננו-שניות.^[1] (אברספין, חברת ספין-אוף של מוטורולה, פיתחה גרסה של 4 מגה בייט^[2]). ישנן שתי טכניקות MRAM מדור שני שנמצאות בפיתוח: מיתוג בסיוע תרמי (SAT) אשר מפותחת על ידי חברת Crocus,^[3] ומומנט תעבורת ספין (STT) שעליה עובדות Crocus, Hynix, IBM ומספר חברות אחרות.^[4]
עיצוב נוסף הנמצא בפיתוח, הנקרא זיכרון מסלול מרוצים, מקודד מידע בכיוון של המגנטיזציה בין גבולות המרחב שבו נמצא תיל מתכתי פרומגנטי.
חיישנים מגנטיים המבוססים על אפקט GMR.

מכשירי ספינטרוניקה מבוססי מוליכים למחצה

הפיתוח בתחום הספינטרוניקה הוביל לעניין מחודש בחצאי מוליכים פרומגנטיים השייכים לקבוצת היסודות הנדירים (הנמצאים בעיקר בקרום כדור הארץ ומכאן שמם "rare - earth") כגון תרכובות אירופיום, במיוחד אירופיום חמצני (EuO).

אירופיום חמצני סטויכיומטרי (EuO) נחשב כפרומגנט הייזנברג אופייני עם טמפרטורת קירי (T_C) של $69.8K$ .

עבור השימוש של חומר זה ביישומי ספינטרוניקה יש להגדיל את T_Cעל ידי ייצור נושאי מטען נוספים בפס ההולכה. ייצור זה, שיכול להיות מושג על ידי זיהום החומר או על ידי שימוש באירופיום חמצני עם חוסרי חמצן, מוסיף אינטראקציית שחלוף לא ישירה (דמוית שחלוף על) בין הספינים המקומיים. החל משנת 2000 נעשו מספר מחקרים תאורטיים (המשתמשים בעיקר במודל RKKY לחישוב המגנטיזציה)^[5]^[6]^[7] ונערכו מספר ניסויי מעבדה בנושא זה.^[8]

תחמוצות נוספות הנחשבות כמתאימות לשילוב במכשירי ספינטרוניקה אשר נחקרו תאורטית ואמפירית הם אבץ חמצני (ZnO) וטיטניום דו-חמצני (TiO₂).^[9]^[10]

מוליכים למחצה פרומגנטיים לא חמצניים כגון מנגן גליום ארסניד (GaMnAs) מגדילים את ההתנגדות המגנטית על ידי שימוש במנהור קוונטי^[11] או בעזרת הזרקת אלקטרונים חמה.^[12]

גילוי או מדידת ספין במוליכים למחצה הוא אתגר בפני עצמו אשר ניתן לפתרון בעזרת הטכניקות הבאות:

אפקט פאראדיי - סיבוב של פוטונים מוחזרים/מועברים.^[13]
ניתוח קיטוב מעגלי של אלקטרולומינסנציה.^[14]
שסתום ספין לא מקומי (בהתאם לעבודתם ג'ונסון וסילסבי במתכות).^[15]
סינון ספין בליסטי.^[16]

הטכניקה האחרונה שימשה כדי להשיג העברת ספינים מקוטבים בסיליקון (Si), המוליך למחצה החשוב ביותר בתחום האלקטרוניקה.^[17]

עקב העובדה כי שדות מגנטיים חיצוניים יכולים לגרום לאפקטי הול לא זניחים והתנגדות מגנטית עצומה במוליכים למחצה (המחקים את אפקטי שסתום ספין), הראיה החותכת היחידה למעבר ספינים מקוטבים במוליכים למחצה היא האפקט של נקיפת הספין ודיפאזה של השדה המגנטי בכיוון שונה מכיוון הספין המוזרק. אפקט זה נקרא אפקט הנל.

יישומים מבוססי מוליכים למחצה

יישומים המושתתים על הזרקה חשמלית של ספינים מקוטבים הראו הפחתה בזרם הסף ושליטה בקיטוב המעגלי ובקוהרנטיות של האור הנפלט ביציאה.^[18] הדוגמאות כוללות לייזרים מוליכים למחצה.
יישומים עתידיים עשויים לכלול טרנזיסטורים המבוסס על מוליכים למחצה בעלי ספינים מקוטבים, כלומר, מוליכים למחצה פרומגנטיים, עם יתרונות על פני התקני MOSFET הקיימים כמו מדרון מתח סף משני תלול יותר.
טרנזיסטור מנהור מגנטי
טרנזיסטור מנהור מגנטי - בטרנזיסטור מנהור מגנטי בעל שכבת בסיס אחת,^[19] קיימים המסופים הבאים:
- פולט (עשוי מחצי מוליך פרומגנטי 1) - מזריק זרם אלקטרונים מקוטבי ספין לתוך הבסיס.
- בסיס - (עשוי מחצי מוליך פרומגנטי 2) - פיזור תלוי ספין מתרחש בבסיס. הוא גם משמש כמסנן ספין.
- קולט -(עשוי מחצי מוליך כגון GaAs) - נוצר מחסום שוטקי בממשק. לקולט מגיעים רק אלקטרונים בעלי אנרגיה קריטית להתגברות על מחסום שוטקי, וכאשר יש רמות אנרגיה זמינות במוליך למחצה (GaAs).

הזרם המגנטי (MC) בטרנזיסטור מנהור מגנטי (MTT) ניתן לחישוב על פי הנוסחה:

MC={\frac {I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}}

כאשר יחס ההעברה בטרנזיסטור (TR) מחושב על פי:

TR={\frac {I_{C}}{I_{E}}}

MTT מספק מקור אלקטרוני בעל קיטוב ספין גבוה בטמפרטורת החדר.

מדית אחסון פרומגנטית מול אנטי-פרומגנטית

בעשור השני של המאה ה-21, החל מחקר גם של מדיה אנטי-פרומגנטית^[20] (בעוד שעד אז נחקרה רק מדיה פרומגנטית), במיוחד מאז שנמצאה הדרך לאחסן בחומר אנטי-פרומגנטי ביט '0' או '1' כמו במדיה פרומגנטית:

אם בפרומגנט, '0' מוגדר על ידי מגנטיזציה חיובית (כל הספינים בכיוון "מעלה") ו-'1' מוגדר להיות מגנטיזציה שלילית (כל הספינים בכיוון "מטה"), הרי שבאנטי-פרומגנט, '0' יוגדר על ידי תצורת ספין אנכית לסירוגין ו-'1' מוגדר על ידי תצורת ספין אופקית לסירוגין.

היתרונות העיקריים בשימוש בחומר אנטי-פרומגנטי הם:

רגישות קטנה יותר להפרעות כגון שדות מגנטיים מקריים.
זמני מיתוג קטנים יותר.

ראו גם

קישורים חיצוניים

פרס נובל בפיזיקה לשנת 2007.
ספינטרוניקה: הדור הבא של האלקטרוניקה הרצאה מקוונת בערוץ של אוניברסיטת תל אביב.
Spintronics portal with news and resources
RaceTrack:InformationWeek
Spintronics research targets
Spintronics Tutorial
ספינטרוניקה, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

^ Sigma Aldrich, Spintronics
^ Everspin, MRAM TECHNOLOGY ATTRIBUTES (ארכיון)
^ ,Barry Hoberman Crocus Technologies, The Emergence of Practical MRAM (ארכיון)
^ Mark LaPedus, Tower invests in Crocus, tips MRAM foundry deal, ‏יוני 2009
^ S. Burg, V. Stukalov, and E. Kogan, On the theory of indirect exchange in EuO, Phys. Status Solidi B 249, John Wiley & Sons, 2012, עמ' 847-853
^ C. Santos and W. Nolting, Ferromagnetism in the Kondo-lattice model, Phys. Rev. B 65, 2002, עמ' 144419
^ G. Tang and W. Nolting, Carrier-induced ferromagnetism in diluted local-moment systems, Phys. Rev. B 75, 2007, עמ' 024426
^ M. Barbagallo, T. Stollenwerk, J. Kroha, N.J. Steinke, N. D. M. Hine, J. F. K. Cooper, C.H.W.Barnes, A. Ionescu, P. M. D. S. Monteiro, J.Y. Kim, K. R. A. Ziebeck, C. J. Kinane, R. M. Dalgliesh, T. R. Charlton and S. Langridge, Thickness-dependent magnetic properties of oxygen-deficient EuO, Phys. Rev. B 84, 2011, עמ' 075219
^ Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H, Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO2 polymorphs, Journal of Applied Physics 113, 2013, עמ' 233913
^ Ogale, S.B, Dilute doping, defects, and ferromagnetism in metal oxide systems, Advanced Materials 22, 2010, עמ' 3125–3155
^ Hanbicki, A. T.; Jonker, B. T.; Itskos, G.; Kioseoglou, G.; Petrou, A., Efficient electrical spin injection from a magnetic metal/tunnel barrier contact into a semiconductor, Applied Physics Letters 80, 2002, עמ' 1240
^ Jiang, X.; Wang, R.; Van Dijken, S.; Shelby, R.; MacFarlane, R.; Solomon, G.; Harris, J.; Parkin, S., Optical Detection of Hot-Electron Spin Injection into GaAs from a Magnetic Tunnel Transistor Source, Physical Review Letters 90, 2003, עמ' 256603
^ Kikkawa, J.; Awschalom, D., Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs, Physical Review Letters 80, 1998, עמ' 4313
^ Jonker, Berend T., Polarized optical emission due to decay or recombination of spin-polarized injected carriers, US patent, 1999, עמ' 5874749
^ Lou, X.; Adelmann, C.; Crooker, S. A.; Garlid, E. S.; Zhang, J.; Reddy, K. S. M.; Flexner, S. D.; Palmstrøm, C. J.; Crowell, P. A., Electrical detection of spin transport in lateral ferromagnet–semiconductor devices, Nature Physics 3, 2007, עמ' 197
^ Appelbaum, I.; Huang, B.; Monsma, D. J., Electronic measurement and control of spin transport in silicon, Nature 447, 2007, עמ' 295–298
^ Žutić, I.; Fabian, J., Spintronics: Silicon twists, Nature 447, 2007, עמ' 268–269
^ Holub, M.; Shin, J.; Saha, D.; Bhattacharya, P., Electrical Spin Injection and Threshold Reduction in a Semiconductor Laser, Physical Review Letters 98, 2007, עמ' 146603
^ Van Dijken, S.; Jiang, X.; Parkin, S. S. P., Room temperature operation of a high output current magnetic tunnel transistor, Applied Physics Letters 80, 2002, עמ' 3364 - 3366
^ Prof. Dr. Tomas Jungwirth Academy of Sciences, Prague and University of Nottingham, [http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollSS14/Kolloquium-Jungwirth.pdf Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets], ‏מרץ 2014

[1] Sigma Aldrich, Spintronics

[2] Everspin, MRAM TECHNOLOGY ATTRIBUTES (ארכיון)

[3] ,Barry Hoberman Crocus Technologies, The Emergence of Practical MRAM (ארכיון)

[4] Mark LaPedus, Tower invests in Crocus, tips MRAM foundry deal, ‏יוני 2009

[:1-5] S. Burg, V. Stukalov, and E. Kogan, On the theory of indirect exchange in EuO, Phys. Status Solidi B 249, John Wiley & Sons, 2012, עמ' 847-853

[6] C. Santos and W. Nolting, Ferromagnetism in the Kondo-lattice model, Phys. Rev. B 65, 2002, עמ' 144419

[7] G. Tang and W. Nolting, Carrier-induced ferromagnetism in diluted local-moment systems, Phys. Rev. B 75, 2007, עמ' 024426

[8] M. Barbagallo, T. Stollenwerk, J. Kroha, N.J. Steinke, N. D. M. Hine, J. F. K. Cooper, C.H.W.Barnes, A. Ionescu, P. M. D. S. Monteiro, J.Y. Kim, K. R. A. Ziebeck, C. J. Kinane, R. M. Dalgliesh, T. R. Charlton and S. Langridge, Thickness-dependent magnetic properties of oxygen-deficient EuO, Phys. Rev. B 84, 2011, עמ' 075219

[9] Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H, Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO2 polymorphs, Journal of Applied Physics 113, 2013, עמ' 233913

[10] Ogale, S.B, Dilute doping, defects, and ferromagnetism in metal oxide systems, Advanced Materials 22, 2010, עמ' 3125–3155

[11] Hanbicki, A. T.; Jonker, B. T.; Itskos, G.; Kioseoglou, G.; Petrou, A., Efficient electrical spin injection from a magnetic metal/tunnel barrier contact into a semiconductor, Applied Physics Letters 80, 2002, עמ' 1240

[12] Jiang, X.; Wang, R.; Van Dijken, S.; Shelby, R.; MacFarlane, R.; Solomon, G.; Harris, J.; Parkin, S., Optical Detection of Hot-Electron Spin Injection into GaAs from a Magnetic Tunnel Transistor Source, Physical Review Letters 90, 2003, עמ' 256603

[13] Kikkawa, J.; Awschalom, D., Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs, Physical Review Letters 80, 1998, עמ' 4313

[:0-14] Jonker, Berend T., Polarized optical emission due to decay or recombination of spin-polarized injected carriers, US patent, 1999, עמ' 5874749

[15] Lou, X.; Adelmann, C.; Crooker, S. A.; Garlid, E. S.; Zhang, J.; Reddy, K. S. M.; Flexner, S. D.; Palmstrøm, C. J.; Crowell, P. A., Electrical detection of spin transport in lateral ferromagnet–semiconductor devices, Nature Physics 3, 2007, עמ' 197

[16] Appelbaum, I.; Huang, B.; Monsma, D. J., Electronic measurement and control of spin transport in silicon, Nature 447, 2007, עמ' 295–298

[17] Žutić, I.; Fabian, J., Spintronics: Silicon twists, Nature 447, 2007, עמ' 268–269

[18] Holub, M.; Shin, J.; Saha, D.; Bhattacharya, P., Electrical Spin Injection and Threshold Reduction in a Semiconductor Laser, Physical Review Letters 98, 2007, עמ' 146603

[19] Van Dijken, S.; Jiang, X.; Parkin, S. S. P., Room temperature operation of a high output current magnetic tunnel transistor, Applied Physics Letters 80, 2002, עמ' 3364 - 3366

[20] Prof. Dr. Tomas Jungwirth Academy of Sciences, Prague and University of Nottingham, [http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollSS14/Kolloquium-Jungwirth.pdf Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets], ‏מרץ 2014

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]