Первый спиновый транзистор на основе кремния.

Эта работа открывает путь к электронике нового поколения: более дешевых, более быстрых и мало энергопотребляющих устройств для обработки и хранения информации.
Ян Аппельбаум (справа) и Бицинь Хуан. Фото с сайта udel.edu.
Ян Аппельбаум (справа) и Бицинь Хуан. Фото с сайта udel.edu.
Исследовательской группе во главе с Ианом Аппельбаумом из Делавэрского университета (США) удалось передать спин-электронный ток на дистанцию в 350 мкм сквозь беспримесную кремниевую подложку. Для микроэлектроники это растояние поистине огромно.

Эта пионерская работа обозначила путь к разработке более дешевых, более быстрых и мало энергопотребляющих устройств для обработки и хранения информации.

Спинтроника — электроника нового поколения

Достаточно молодая область современной физики — спиновая электроника, или спинтроника, — притягивает всё больше исследователей многообещающими практическими применениями. Если в традиционной электронике используется обычный электрический ток (перемещаются заряды), то электроника нового поколения основана на ином физическом принципе — в ней перемещаются спины электронов.

Спин электрона (собственный момент количества движения) — это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний — либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разнонаправлены). Обычно электроны в веществе в среднем неполяризованы — электронов со спином вверх и со спином вниз примерно поровну.

Орудием спинтроники является ток, создаваемый электронами с однонаправленными спинами (спиновый ток). Для получения достаточно сильного тока необходимо поляризовать спины, упорядочив их в одном направлении. Важно, чтобы еще и время жизни спина (время, в течение которого направление спина не меняется) было достаточно большим для передачи его на нужные расстояния.

Если традиционные электронные устройства, основанные на электрических свойствах вещества, управляются преимущественно приложенным напряжением, то для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле.

В чём секрет повышенного интереса к спинтронике? Во-первых, спиновые приборы будут многофункциональны — они позволят совмещать на одном чипе функции накопителя для хранения информации, детектора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатора для последующей ее передачи к другим элементам чипа.

Во-вторых, такие устройства будут обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники. Это объясняется тем, что переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не меняется, и значит, тепла почти не выделяется. Скорость же изменения положения спина очень высока: эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды).

Рис. 1. Слева: Иан Аппельбаум, создавший вместе с Бицинем Хуаном (на заднем плане) и Доу Монмой первый спиновый транзистор на кремнии, способный перемещать спины электронов на расстояния в сотни мкм и управлять ими. Справа: кремниевый спиновый чип, содержащий более десятка спиновых транзисторов. Фото с сайта www.udel.edu.
Рис. 1. Слева: Иан Аппельбаум, создавший вместе с Бицинем Хуаном (на заднем плане) и Доу Монмой первый спиновый транзистор на кремнии, способный перемещать спины электронов на расстояния в сотни мкм и управлять ими. Справа: кремниевый спиновый чип, содержащий более десятка спиновых транзисторов. Фото с сайта www.udel.edu.
Эти преимущества позволят спинтронным устройствам стать основой для ЭВМ нового поколения — квантовых компьютеров. Но чтобы это стало возможно, необходимо создать ключевые элементы «спиновых микросхем» — спиновые транзисторы, то есть устройства, в которых можно усиливать, ослаблять или выключать спиновый ток. А на базе спинового транзистора уже будут создаваться новые компьютерные процессоры, сенсоры, перепрограммируемые логические устройства и энергонезависимая быстродействующая память высокой плотности.

Спиновый транзистор: трудно сделать первый шаг

В спиновом транзисторе состояния «включен» и «выключен» зависят от направления спинов электронов, участвующих в токе. Любое спин-электронное устройство, в том числе и спиновый транзистор, должно содержать три основных элемента:

1) механизм для электрического инжектирования (проще говоря «впрыска») спин-поляризованных (то есть выстроенных в выбранном направлении) электронов в полупроводник (будем называть этот механизм «инжектор»),

2) средства для управления спиновым током в полупроводнике (например, приложенное напряжение, заставляющее двигаться электроны),

3) электрическая схема для прецизионного детектирования (измерения) результирующего спинового тока (будем называть ее «детектор»).

Но наличия этих трех кирпичиков недостаточно, чтобы построить конечное устройство. Нужно еще добиться высокой эффективности электрической инжекции спинов в полупроводник и достаточной длины диффузии (перемещения) спина. А чтобы спин смог преодолеть это расстояние в полупроводнике и достичь детектора, он должен обладать достаточным временем жизни. И желательно, чтобы всё это происходило при комнатной температуре (трудно себе представить домашний компьютер с процессором на базе спиновых транзисторов, который работает только при охлаждении его до температуры жидкого гелия!).

Человечество уже десять лет вкушает плоды спинтроники в виде компьютерных жестких дисков и прецизионных сенсоров магнитного поля, в которых использован эффект гигантского магнетосопротивления. Именно за открытие этого явления Альбер Фер и Петер Грюнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в этом году. Но создание спинового транзистора и спиновой памяти до сих пор оставалось неразрешимой задачей.

Все предыдущие попытки с использованием дорогостоящих технологий и материалов (таких как арсенид галлия GaAs, оксид цинка ZnO, сульфид кадмия CdS) не увенчались успехом: получавшиеся спиновые транзисторы либо работали только при очень низких температурах, либо работали при температурах, близких к комнатной, но имели при этом очень малую величину эффективности, либо позволяли передавать спиновый ток на очень незначительные расстояния, измеряемые сотнями нанометров.

Рис. 2. а — изображение кремниевого спинового транзистора, b — схема работы и c — зонная диаграмма его компонентов. При постоянном напряжении на эмиттере Ve измерялся «первый коллекторный ток» Ic1 на NiFe-контакте и «второй коллекторный ток» Ic2 на индиевом контакте, осажденном на кремниевой подложке n-типа. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
Рис. 2. а — изображение кремниевого спинового транзистора, b — схема работы и c — зонная диаграмма его компонентов. При постоянном напряжении на эмиттере Ve измерялся «первый коллекторный ток» Ic1 на NiFe-контакте и «второй коллекторный ток» Ic2 на индиевом контакте, осажденном на кремниевой подложке n-типа. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
Революция в спинтронике свершилась

И вот настал момент, когда с уверенностью можно сказать, что создан первый в мире спин-электронный транзистор, удовлетворяющий всем перечисленным выше критериям. Причем он создан на базе кремния, которому пророчили позицию аутсайдера в современной электронике.

Исследовательская группа в составе Иана Аппельбаума (Ian Appelbaum) и его аспиранта Бициня Хуана (Biqin Huang) из Делавэрского университета (University of Delaware), а также Доу Монмы (Douwe Monsma) из компании «Кембридж НаноТех» (Cambridge NanoTech) показала, что спин может быть транспортирован (перемещен) на марафонскую по меркам микроэлектроники дистанцию — 350 мкм! — сквозь беспримесную кремниевую подложку (использование беспримесной подложки позволяет добиться протекания «чистого» спинового тока в полупроводнике, что очень важно для точного детектирования результирующего сигнала).

Результаты этой пионерской работы были опубликованы 26 октября этого года в престижнейшем физическом журнале Physical Review Letters. До этого та же группа ученых впервые экспериментально продемонстрировала, что спиновый ток можно инжектировать (впрыскивать) в кремниевую подложку, управлять им и измерять его (см. статью в Nature за 17 мая 2007 года).

В работе, опубликованной 13 августа 2007 года в авторитетном журнале Applied Physics Letters, исследователи показали, как достичь очень высокой (на сегодняшний день) степени спиновой поляризации — 37%. Это означает, что от общего числа спинов, поступивших на инжектор, 37% однонаправленных спинов удалось доставить до детектора. Стопроцентной поляризации соответствует случай, когда все спины, выстроенные в выделенном направлении (чаще всего «спин-вверх»), дошли до детектора. Так как в реальных системах есть различного рода рассеивания и поглощения (система не идеальная), стопроцентной эффективности пока получить не удается.

Открытие подтверждает, что с кремния — рабочей лошадки современной электроники — можно не снимать упряжку еще многие десятилетия, используя его для создания спин-электронных устройств, таких как спиновый транзистор и спиновая память.

Исследователи показали, что кремний уже сейчас может быть использован для совершения многочисленных манипуляций над спином на масштабе в несколько сот микрометров и в течение времени, достаточного для осуществления нескольких тысяч логических операций (десятки наносекунд), тем самым открывая широкую дорогу для спин-электронных систем на базе кремния. Соединив в единую схему сотни или даже тысячи созданных спиновых чипов (рис. 1, справа), можно получить сверхбыстродействующее устройство для обработки информации, по своей эффективности превышающее современные процессоры в десятки раз!

Как работает спиновый транзистор

Методика экспериментов, вкратце, такова. Вначале авторы изготовили слоистую структуру, составленную из слоя ферромагнетика, слоя чистого кремния, затем второго слоя ферромагнетика, но уже другого, и наконец, слоя кремния с примесями. К разным слоям этой структуры прикладывается специально подобранное напряжение, управляющее течением электронов. Поток электронов на входе неполяризован, но после прохождения ферромагнитной прослойки он приобретает поляризацию — то есть становится спиновым током. Эти электроны попадают в прослойку из чистого кремния, проходят достаточно большую дистанцию, затем попадают во второй ферромагнитный слой и выходят наружу.

Рис. 3. Механизм работы инжектора и детектора. а — слои Co84Fe16 и Ni80Fe20 намагничены параллельно, b — антипараллельно (emmiter — источник тока, F — первый и второй ферромагнитные слои соответственно, silicon — кремниевая прослойка, collector — приемник спинового тока). Рис. с сайта noorderlicht.vpro.nl.
Рис. 3. Механизм работы инжектора и детектора. а — слои Co84Fe16 и Ni80Fe20 намагничены параллельно, b — антипараллельно (emmiter — источник тока, F — первый и второй ферромагнитные слои соответственно, silicon — кремниевая прослойка, collector — приемник спинового тока). Рис. с сайта noorderlicht.vpro.nl.
Эксперименты показали, что при движении через кремний поляризация электронов частично сохраняется. Благодаря этому, изменяя взаимную ориентацию магнитных полей в двух слоях ферромагнетика, можно включать или выключать спиновый ток на выходе. Это позволяет для осуществления сверхбыстрых логических операций над информацией использовать два устойчивых состояния прибора, при которых ток либо есть (логическая «1»), либо нет (логический «0»), по аналогии с традиционным транзистором, для осуществления сверхбыстрых логических операций над информацией.

Вначале исследователи работали со слойками толщиной примерно 10 мкм, но в последней работе, опубликованной в Physical Review Letters, они увеличили промежуточный слой чистого кремния до 350 мкм — а это уже вполне макроскопический размер. Даже на таких больших расстояниях спиновый ток по-прежнему сохранялся. Таким образом, представленное устройство демонстрирует долгое время жизни спина электрона, за которое он способен преодолеть слой полупроводника толщиной до 350 мкм.

Вид транзистора, принцип действия и зонная диаграмма (диаграмма энергетических состояний барьеров, которые встречают электроны при прохождении через вещества) показаны на рис. 2.

На первом этапе при приложенном напряжении Ve неполяризованные электроны инжектируются из алюминиевого эмиттера (источника) в ферромагнитный слой Co84Fe16. Благодаря спин-зависимому рассеиванию электронов в магнитном слое, электроны с выделенным направлением спина (например, «спин-вниз») отсеиваются, так как направление намагниченности слоя Co84Fe16 не совпадает с направлением спинов. Отобранные электроны с однонаправленными спинами туннелируют через тонкий слой Al2O3. В данном случае туннельный барьер проходят только «горячие» электроны (с энергией, достаточно высокой для преодоления энергетических барьеров), создавая эмиттерный ток (ток источника). «Горячие» электроны нужны для увеличения эффективности прибора. Пройдя через барьер Шоттки (потенциальный барьер, возникающий на границе металл—полупроводник) в беспримесный монокристаллический слой кремния, электроны занимают свободные места в зоне проводимости полупроводника и, под действием приложенного к нему напряжения Vc1, начинают упорядоченное движение. При этом возникает коллекторный ток Ic1 (ток на детекторе). После прохождения через 350-микрометровый слой кремния спин-поляризованные электроны детектируются вторым спиновым транзистором.

Ферромагнитный слой Ni80Fe20 регистрирует спины электронов, которые инжектируются в кремний n-типа (то есть кремний, основными носителями тока в котором являются электроны) для увеличения чувствительности детектора (в зоне проводимости кремния n-типа есть избыточные электроны, которые усиливают спиновый ток), создавая коллекторный ток Ic2. Спиновый ток зависит от относительной намагниченности обоих ферромагнитных слоев.

На рис. 3 показан механизм работы детектора. В случае параллельного направления намагниченностей в слоях Co84Fe16 и Ni80Fe20 (рис. 3а) ток выше, чем при антипараллельном направлении намагниченностей (рис. 3b). Первый режим функционирования детектора можно сравнить с футбольным матчем без вратаря: все мячи, посланные в сетку ворот, оборачиваются голом. Второму же режиму соответствует игра с очень хорошим голкипером, отражающим все летящие в ворота мячи.

Следует отметить, что при комнатной температуре транзистор всё же имеет не очень высокую эффективность работы. Хорошие результаты работы прибор показал при температуре –73°C (150 K). Так что исследователям еще нужно потрудиться над увеличением температурных интервалов функционирования транзистора. Авторы уверены, что с помощью их устройства вполне достижима стопроцентная спиновая поляризация, при которой все инжектированные электроны имеют ориентацию либо «спин-вверх», либо «спин-вниз» . Высокая степень поляризация позволяет более точно определять величину спинового тока, избавляя логическое устройство (в данном случае подразумевается конечное устройство на базе массива из спиновых транзисторов) от ошибок при анализе и обработке информации.

--------------------------------------------------------------------------------

Итак, создание революционного устройства — спинового транзистора на кремнии, способного перемещать спины с выделенным направлением на сотни микрометров в пространстве, — состоялось, ознаменовав тем самым старт для создания сверхбыстрой и низко энергопотребляющей электроники нового поколения. Это первое в мире спин-электронное устройство на кремнии, имеющее высокую степень спиновой поляризации при температуре, близкой к комнатной. По своей важности это событие может быть сравнимо с открытием классического полупроводникового транзистора шесть десятилетий назад. Нам остается только пожелать исследователям научных успехов и ждать появления электронной техники нового поколения.

   
автор: Александр Самардак
Кроме того...
Курение приводит к слабоумию
У курильщиков гораздо чаще, чем у некурящих развиваются...
Озеро в тихом океане
Французские ученые обнаружили необычную экосистему в...
  • Текущие обсуждения статей
Бионическая рука-протез
Телепортация - фантастика или реальность?
Ученые вывели формулу удачи
Смех не лечит раковых больных
Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания
Нью-Йорк и Лос-Анджелес уйдут под воду к 2015-му году
Посмотреть весь форум

  • поиск статей на сайте
Введите фразу, слово или часть слова
Темы этого номера
Первый спиновый транзистор на основе кремния.
Первый спиновый транзистор на основе кремния. Первый спиновый транзистор на основе кремния.
Эта работа открывает путь к электронике нового поколения: более дешевых
Пластик, способный выдерживать температуру до 300 градусов
Пластик, способный выдерживать температуру до 300 градусов Пластик, способный выдерживать температуру до 300 градусов
Японские ученые разработали первый в мире пластик растительного происхождения, способный выдерживать температуры
Первый самолет на солнечной тяге
Первый самолет на солнечной тяге Первый самолет на солнечной тяге
Первая модель самолета на солнечной энергии совершит свой пилотируемый полет вокруг Земли осенью 2008 года
Создан гигантский нейтронный телескоп
Создан гигантский нейтронный телескоп Создан гигантский нейтронный телескоп
Гигантский телескоп, спрятанный в снегах Южного полюса, сможет однажды передать картину центра Земли
Роботы, потрясшие мир
Роботы, потрясшие мир Роботы, потрясшие мир
С каждым годом роботы становятся все сложнее. Уже сейчас они могут выполнять операции
Design A – концептуальный мобильный телефон-ручка
Design A – концептуальный мобильный телефон-ручка Design A – концептуальный мобильный телефон-ручка
Времена меняются, технологии меняются вместе с ними, и обычная шариковая ручка на самом деле может ею и не являться
Астрономы обнаружили доселе неизвестный тип звезд
Астрономы обнаружили доселе неизвестный тип звезд Астрономы обнаружили доселе неизвестный тип звезд
Восемь редчайших экземпляров сначала приняли за выгоревшие небесные тела - белые карлики
По ту сторону нашей Вселенной зияет другая
По ту сторону нашей Вселенной зияет другая По ту сторону нашей Вселенной зияет другая
Когда в августе 2007 года астрономы объявили о том, что на краю Вселенной ими обнаружена гигантская дыра
NASA на Сатурне. Часть пятая: Титан как Земля
NASA на Сатурне. Часть пятая: Титан как Земля NASA на Сатурне. Часть пятая: Титан как Земля
Свидетельства осадков, эрозии, механического трения и речной деятельности говорит, что физические процессы
Революция стволовых клеток: так клетки "обновляются"
Революция стволовых клеток: так клетки "обновляются" Революция стволовых клеток: так клетки "обновляются"
Взрослые клетки кожи человека можно "перепрограммировать", вводя в их ДНК несколько генов, тогда они, как по волшебству
Хочешь любви - смотри в глаза
Хочешь любви - смотри в глаза Хочешь любви - смотри в глаза
Если вы хотите показаться привлекательнее представителям противоположного пола
Ученые выяснили, кому сложнее всех бросить курить
Ученые выяснили, кому сложнее всех бросить курить Ученые выяснили, кому сложнее всех бросить курить
Курение - вредная привычка, предрасположенность к которой вызвана генами, уверяют ученые. Исследователи выяснили
Найден ген сексуальности
Найден ген сексуальности Найден ген сексуальности
Израильские ученые под руководством Ричарда Эбштейна установили
Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания
Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания
Сейсмологи Университета штата Вашингтон (University of Washington) в Сиэтле, США
Прогноз будущего от журнала The Futurist
Прогноз будущего от журнала The Futurist Прогноз будущего от журнала The Futurist
Топ-10 предсказаний журнала The Futurist выглядят следующим образом..

 
  • Главные темы / архив
№082текущий номер Технологии
Биоклиматическое здание
    

    

    

    

    

 
  • Человек
  • Планета Земля
  • История изобретений
  • Чёрный ящик
  • Воля случая
  • Технологии
  • Техника
  • Космос
067