Управление с помощью электрических полей в спинтронных устройствах

Новый метод малой мощности для обнаружения спина электронов в немагнитной системе может помочь в разработке устройств спинтроники, которые работают с использованием сегнетоэлектричества, а не ферромагнетизма. Такие устройства могут в конечном итоге сформировать основу нового поколения эффективных низкоэнергетических компьютерных процессоров и, таким образом, помочь поддерживать прогресс в высокоскоростной обработке информации.

В течение более полувека вычислительная мощность росла в геометрической прогрессии. Однако в последнее время этот рост по «закону Мура» замедлился, поскольку становится все труднее сделать обычные транзисторы меньше, чем они уже есть. Поэтому исследователи ищут способы, позволяющие наращивать вычислительную мощность, даже если традиционное масштабирование по размерам выходит за рамки фундаментальных ограничений.

Среди множества исследуемых решений - те, которые стремятся снизить потребление энергии в полевых транзисторах (FET), которые составляют основу современных кремниевых компьютерных чипов. Один из способов сделать это - заменить обычные транзисторы альтернативной версией, для которой не требуется непрерывный источник питания для поддержания его состояния «ВКЛ» или «ВЫКЛ».

Спинтроника, которая использует спин электронов (или собственный угловой момент), а не их заряд для хранения и обработки информации, может предложить способ достижения этой цели. Поскольку спины электронов могут быть направлены «вверх» или «вниз», это двоичное свойство можно использовать для выполнения логических операций в спинтронных схемах почти так же, как электрический заряд используется в электронных схемах. Ключевое преимущество заключается в том, что, когда спин электрона меняет направление, его новое состояние сохраняется постоянно (то есть, оно энергонезависимо). Следовательно, схемы спинтроники не требуют никакой дополнительной входной мощности, чтобы их состояния оставались стабильными.

Однако схемы на основе спинтроники имеют большой недостаток для защитников эффективности. В спинтронике информация передается или управляется через спиновые токи, которые состоят из электронов с противоположными спинами, движущимися в противоположных направлениях. Эти токи обычно генерируются с использованием ферромагнитных материалов. Это проблема, потому что намагниченность таких материалов не может быть переключена, кроме как путем применения очень сильных магнитных полей или токов. Следовательно, в любом практическом переключаемом устройстве энергетическое преимущество, связанное с энергонезависимым хранением, будет быстро уничтожено.

Исследователи из лаборатории Spintec (CNRS / CEA / Université Grenoble Alpes) и лаборатории CNRS / Thales, возглавляемой Жаном-Филиппом Аттане (Jean-Philippe Attané) и Мануэлем Бибесом (Manuel Bibes), в настоящее время разработали новый, более низкоэнергетический способ управления спиновыми токами.

В их методе используется ультратонкий слой проводящих электронов, технически известный как двумерный (2D) электронный газ, который развивается на границе раздела между титанатом стронция (электрическим изолятором в чистом виде) и покрывающим слоем алюминия.

Исследователи начали с инжекции спинового тока из ферромагнитного никель-железного сплава в титанат стронция (SrTiO3). Как только электроны удерживаются в двумерном электронном газе, их спин связывается с импульсом благодаря явлению, известному как спин-орбитальное взаимодействие. «Этот эффект преобразует спиновый ток в обычный зарядный ток, что позволяет нам обнаруживать инжектируемые спины», - объясняют Аттане и Бибес.

Затем команда приложила напряжение к изолирующему слою SrTiO3 под электронным газом, чтобы настроить спин-орбитальную связь и, таким образом, направление тока заряда. В этот момент они обнаружили, что изолирующий слой SrTiO3 ведет себя как сегнетоэлектрический материал, то есть имеет постоянный электрический дипольный момент, так же как ферромагнитный материал имеет постоянный магнитный дипольный момент. Это является значительным преимуществом, поскольку электрические дипольные моменты могут быть ориентированы с использованием электрических полей, которыми намного легче управлять, чем магнитными полями, необходимыми для переключения намагниченности ферромагнитных материалов.

Аттане и Бибес и их коллеги также подтвердили, что направление общей электрической поляризации SrTiO3 зависит от полярности приложенного напряжения. Эта электрическая поляризация сохраняется даже при отключении электрического поля, что означает, что они могут постоянно управлять спин-орбитальной связью и, таким образом, направлением тока заряда, возникающего из спинового тока.