Перспективные конкуренты электронных носителей информации – на порядки более компактные и менее энергозатратные устройства, созданные по технологии спинтроники, – сделали большой шаг вперед. Ученые научились управлять спином электронов в самом распространенном полупроводнике – кремнии.
Эра энергетически затратной и относительно массивной электроники заканчивается. На смену ей придет спинтроника – технология хранения и обработки данных, которая освободит носители информации от энергетической зависимости и сделает их на порядки более компактными.
В отличие от электронных устройств, где кодирование информации производится с помощью управляемого изменения заряда, в спинтронике задействована возможность хранить и передавать информацию с помощью управляемой ориентации спина – внутреннего углового момента импульса электрона, одной из его квантовых характеристик.
В последнем номере журнала Nature рассказывается об успешном эксперименте профессора Рона Янсена из Нидерландов и его коллег, представляющем новый шаг в развитии спинтроники.
С помощью туннелирования между двумя слоями ферромагнетика через нанометровый слой оксида алюминия (Al2O3) ученые ввели поляризованные электроны в кремниевый элемент,
причем им удалось добиться стабильной поляризации спинов большей части электронов при комнатной температуре.
«Управлять» спином не так просто. В магнитных материалах спин электронов меняется вполне охотно, но в полупроводниках, которые можно использовать в реальной практике, он более капризен.
Поэтому главная задача для исследователей, работающих над созданием спинтронных устройств, – суметь перенести упорядоченность спинов из магнитных материалов в полупроводниковые.
Ранее успешные эксперименты такого рода проводились, но они были едва ли применимы в широкой практике.
Для успеха требовались либо экстремально низкие температуры, либо использование довольно экзотических проводников (например арсенида галлия GaAs, который впятеро дороже кремния, «капризнее» его и, возможно, токсичен).
В этом смысле новый эксперимент уникален: в нем используется самый распространенный полупроводник (кремний) в самых обычных условиях (при комнатной температуре и нормальной давлении),
что делает методику применимой не только в лабораторной практике, но и в промышленном масштабе.
В качестве ферромагнитного источника электронов использовался никель-железный сплав, используемый в считывающей головке жестких дисков.
Между магнитом и пластиной кремния помещался ультратонкий (всего 1 нм) слой оксида алюминия.
Обычно Al2O3 ведет себя как диэлектрик, однако под действием электрического поля часть электронов туннелируют через него из магнитного материала в кремний.
Оксидная пленка работает как сито, пропуская электроны с ориентированным спином (поляризованные) лучше, чем прочие.
Так создается общее преимущество электронов с ориентированным спином в полупроводнике.
Ключевым в данном эксперименте является использование тончайшего монослоя (слоя толщиной в один атом) оксида алюминия.
В предыдущих экспериментах использовались более толстые слои, которые задерживали поток электронов с ориентированным спином.
Удачным «ситом» при комнатной температуре оказался именно оксидный монослой.
Простота и эффективность этой методики делает ее новым стандартом для исследователей в области спинтроники, хотя до практического применения ее еще предстоит пройти долгий путь.
Для кодировки информации в кремниевом носителе спины электронов нужно научиться искусственно разворачивать.
Однако «строительные блоки» для создания такого носителя информации теперь созданы.
Что ж, у спинтроники есть достаточные стимулы к развитию: возможности электронных носителей информации небезграничны, а требования к объемам хранения информации и размерам носителей все время растут.
Уменьшение размера чипа делает его производство более сложным и дорогим, а обработка возросшего количества информации требует больших скоростей работы.
Увеличение скорости влечет за собой экспоненциальный рост потребления энергии для перемещения электронов в устройстве.
Возможно, скоро электронные устройства с необходимым размером памяти станут слишком прожорливыми и дорогими для использования.
С помощью туннелирования между двумя слоями ферромагнетика через нанометровый слой оксида алюминия (Al2O3) ученые ввели поляризованные электроны в кремниевый элемент,
причем им удалось добиться стабильной поляризации спинов большей части электронов при комнатной температуре.
«Управлять» спином не так просто. В магнитных материалах спин электронов меняется вполне охотно, но в полупроводниках, которые можно использовать в реальной практике, он более капризен.
Поэтому главная задача для исследователей, работающих над созданием спинтронных устройств, – суметь перенести упорядоченность спинов из магнитных материалов в полупроводниковые.
Ранее успешные эксперименты такого рода проводились, но они были едва ли применимы в широкой практике.
Для успеха требовались либо экстремально низкие температуры, либо использование довольно экзотических проводников (например арсенида галлия GaAs, который впятеро дороже кремния, «капризнее» его и, возможно, токсичен).
В этом смысле новый эксперимент уникален: в нем используется самый распространенный полупроводник (кремний) в самых обычных условиях (при комнатной температуре и нормальной давлении),
что делает методику применимой не только в лабораторной практике, но и в промышленном масштабе.
В качестве ферромагнитного источника электронов использовался никель-железный сплав, используемый в считывающей головке жестких дисков.
Между магнитом и пластиной кремния помещался ультратонкий (всего 1 нм) слой оксида алюминия.
Обычно Al2O3 ведет себя как диэлектрик, однако под действием электрического поля часть электронов туннелируют через него из магнитного материала в кремний.
Оксидная пленка работает как сито, пропуская электроны с ориентированным спином (поляризованные) лучше, чем прочие.
Так создается общее преимущество электронов с ориентированным спином в полупроводнике.
Ключевым в данном эксперименте является использование тончайшего монослоя (слоя толщиной в один атом) оксида алюминия.
В предыдущих экспериментах использовались более толстые слои, которые задерживали поток электронов с ориентированным спином.
Удачным «ситом» при комнатной температуре оказался именно оксидный монослой.
Простота и эффективность этой методики делает ее новым стандартом для исследователей в области спинтроники, хотя до практического применения ее еще предстоит пройти долгий путь.
Для кодировки информации в кремниевом носителе спины электронов нужно научиться искусственно разворачивать.
Однако «строительные блоки» для создания такого носителя информации теперь созданы.
Что ж, у спинтроники есть достаточные стимулы к развитию: возможности электронных носителей информации небезграничны, а требования к объемам хранения информации и размерам носителей все время растут.
Уменьшение размера чипа делает его производство более сложным и дорогим, а обработка возросшего количества информации требует больших скоростей работы.
Увеличение скорости влечет за собой экспоненциальный рост потребления энергии для перемещения электронов в устройстве.
Возможно, скоро электронные устройства с необходимым размером памяти станут слишком прожорливыми и дорогими для использования.