«Электричество осветило мир, и электроника связала его», – говорит профессор Йошичика Отани из Института физики твердого тела. «Спинтроника станет следующим шагом вперед в этом процессе, и мы можем только представить, какие успехи она может принести."
Итак, что такое спинтроника и почему мы должны волноваться?
«По сути, спинтроника используется для передачи информации, для чего мы всегда использовали электрические токи, – продолжает Отани, – но спинтроника предлагает целый ряд преимуществ, некоторые из которых мы только начинаем понимать."
В настоящее время энергоэффективность электрических и электронных устройств является ограничивающим фактором технологического развития. Проблема заключается в природе электрических токов, потоке заряда в виде электронов.
Когда электроны проходят по цепи, они теряют часть энергии в виде отработанного тепла. Спинтроника улучшает ситуацию – вместо движения она использует другое свойство электронов передавать информацию, их угловой момент или «спин»."
«В спиновых токах электроны все еще движутся, но гораздо меньше, чем в токе заряда», – объясняет Отани. "Это движение электронов обычно приводит к сопротивлению и потере тепла. Поскольку мы уменьшаем потребность в таком большом движении электронов, мы значительно повышаем эффективность."
Чтобы продемонстрировать это явление, исследователи создали новый вид материала под названием «неколлинеарный антиферромагнетик» – Mn3Sn, который представляет собой особый вид магнита.
В обычных магнитах – или ферромагнетиках – например, на дверцах холодильников, спины электронов внутри выстраиваются параллельно, что придает материалу магнитный эффект. В этом антиферромагнетике спины электронов выстраиваются в треугольную форму, так что ни одно направление не преобладает, и магнитный эффект эффективно подавляется.
Когда в Mn3Sn подается небольшой электрический ток и к нему правильным образом приложено магнитное поле, электроны упорядочиваются в соответствии со своим спином, и протекает электрический ток. Это магнитный спиновый эффект Холла, и этот процесс можно обратить вспять с помощью магнитного обратного спинового эффекта Холла, чтобы получить электрический ток из спинового тока.
В Mn3Sn одинаковые спины имеют тенденцию накапливаться на поверхности материала, поэтому он разрезается на тонкие слои, чтобы максимизировать площадь его поверхности и, таким образом, емкость спинового тока, переносимого образцом. Исследователи уже внедрили этот материал в функциональное устройство, которое послужит испытательной площадкой для возможных приложений, и рады перспективам.
«Энергоэффективности в электрических системах достаточно, чтобы вызвать интерес у некоторых, но использование антиферромагнетиков для генерации спиновых токов может улучшить и другие аспекты технологии», – говорит Отани. «Антиферромагнетики легче миниатюризировать, работают на более высоких частотах и имеют более плотную упаковку, чем ферромагнетики."
Но как эти идеи воплощаются в приложениях??
«Миниатюризация означает, что спинтронные устройства могут быть превращены в микрочипы», – продолжает Отани. «Высокие частоты означают, что спинтронные чипы могут превосходить электронные по быстродействию, а более высокая плотность приводит к большему объему памяти. Кроме того, низкое рассеивание спиновых токов при комнатной температуре еще больше повышает энергоэффективность."
Устройства, основанные на традиционном спин-эффекте Холла, уже существуют в исследованиях спинтроники, но магнитный спин-эффект Холла и используемые новые материалы могут значительно улучшить все виды технологий.
«Предстоит еще многое сделать, в том числе изучить основные принципы, лежащие в основе исследуемого нами явления», – заключает Отани. "Я вдохновлен загадками экзотических материалов и очень рад быть частью этой технологической революции."