Spintronika

Спинли электроника ёки спинтроника — замонавий физиканинг етарлича ёш соҳаси бўлиб, келажакда жуда катта амалий аҳамиятга эга бўлиши кутилмоқ-да. Унинг анъанавий электроникадан асосий фарқи шундаки, одатий электр токида зарядланган зарралар ҳаракатланади. Спинли электроникада эса фақатгина электронларнинг спинлари ҳаракатланади.

Спин (хусусий ҳаракат миқдори моменти) — электроннинг ички характеристикаси бўлиб, квант хусусиятига эга. Спин қиймати электроннинг ҳаракатига боғлиқ эмас. Электрон спини қуйидаги икки қийматлардан фақат биттасини қабул қилиши мумкин: „спин-юқорига“ (модда магнитланганлик йўналиши билан спин йўналиши мос келганда) ёки „спин-пастга“ (магнитланганлик ҳамда спин йўналишлари қарама-қарши бўлганда).

Электроннинг „айланиши“ ҳамда унинг юқорига ёки пастга ориэнтацияланиши кодлашда ишлатилади. Яъни спини юқорига йўналган электронни мантиқий „1“, спини пастга йўналган электронни мантиқий „0“ деб қабул қилишга келишилган.

Электрон спинлари: „юқорига“ ва „пастга“

Охирги ўн-ўн беш йиллар ичида кремнийдан ишланган процессорлар ўзларининг мумкин бўлган энг юқори чегараларига етиб келдилар. Бундан ортиғига уларнинг физик имкониятлари дош бермайди (ўта юқори частотада жуда қаттиқ қизиб кетиш юз бериши мумкин). Шу сабабли олимлар ва тадқиқотчилар янги авлод қурилмаларини яратишга ҳаракат қилмоқдалар. Ушбу янги авлод қурилмалари камроқ энергия истеъмол қилиши ҳамда қизиб кетмаслиги керак.

Спинтроник қурилмаларда эса спин айланиши амалда ҳеч қандай энергия талаб қилмайди, операциялар оралиғида эса қурилма таъминот манбаидан узиб қўйилиши мумкин. Натижада эса, деярли иссиқлик ажралиб чиқмайди.

Спинтрониканинг вужудга келиши ва иш принсипи

Спинтроника ўтган асрнинг 80-йилларида, қаттиқ жисмли электрон қурилмаларда электронлар кўчишининг спинга боғланган хусусиятларини ўрганиш пайтида юзага келган. Бундай тадқиқотлар сирасига Жонсон ва Силбининг 1985-йилда, ферромагнит металлдан нормал металлга электронларни инжексиялаш устида ўтказган тажрибалари, Алберт Ферт ҳамда Питер Грюнберг томонидан гигант магнит қаршилигининг кашф қилиниши (1988) кабиларни айтиш мумкин ^[1].

Шундан сўнг ферромагнетик, ўта ўтказувчан моддаларда магнит туннел ўтишларини ўрганиш бўйича тадқиқотлар олиб борилди. Яримўтказгич моддалардан спинтроникада фойдаланиш 1990-йилда Датт ҳамда Дас томонидан спинли майдоний транзисторлар яратиш ҳақидаги гипотезасидан сўнг бошланди.

ИБМ мутахассисларининг фикрича, электронлар ўз спинларини жуда тез — 100 пикосекунд ( ${\дисплайстйле 10^{-10}}$ с) — ичида ўзгартиради. Бундай қисқа вақт ичидаги ўзгаришни микросхемалар қайд қилишга улгурмайди. Шунга қарамай, тадқиқотчилар спин вақтини 30 марта — яъни 1 наносекундгача ошириб, электронларни синхронизациялаш усулини ишлаб чиқишди. 1 наносекунд етарлича катта вақт бўлиб, 1 ГҲз частотада ишловчи микропроцессор сиклига тенг. Шундан сўнг яна бир қизиқ факт маълум бўлди. Яримўтказгичларда электронларнинг айланиши вақтида уларнинг спинлари бир неча ўн микрометрга силжир экан. Бу ҳодисани валс тушаётган жуфтликка ўхшатиш мумкин (2-расм). Спини ${\дисплайстйле 1/2}$ га тенг бўлган, ${\дисплайстйле м}$ массали, ${\дисплайстйле қ}$ зарядга эга бўлган зарранинг магнит моменти ${\дисплайстйле \му}$ қуйидагига тенг бўлади:

{\дисплайстйле \му=\фраc{г_{с}қ}{2м}\матҳбф{С}}

бу ерда ${\дисплайстйле \матҳбф{С}}$ — электроннинг спин моменти, ${\дисплайстйле г_{с}}$ эса, ўлчамсиз катталик бўлиб, г-фактор деб аталади.

Магнит-туннел транзистор қуйидаги қисмлардан ташкил топган бўлади:

эмиттер(ФМ1): спин-поляризацияланган электронларни базага инжексиялайди
база(ФМ2): Электронлар спинларининг йўналишига қараб базада жойлашади. Базани спин-филтр дейиш ҳам мумкин
Коллектор(ГаАс) — база-коллектор чегарасида Шоттки то'сиг'и вужудга келади. Натижада коллекторда фақатгина Шоттки тўсиғини енгиб ўтишга энергияси етарли бўлган электронларгина тўпланади.

Ушбу транзисторнинг магнит токи қуйидагига тенг бўлади:

{\дисплайстйле И = \фраc{И_{c,п}-И_{c,ап}}{И_{c,ап}}}

Ўтказиш коэффициенти эса:

{\дисплайстйле \бета = \фраc{И_{C}}{И_{Э}}}

Юқоридаги ифодадан кўриниб турибдики, ўтказиш коэффициенти эмиттердаги электронларнинг қанча қисми коллекторга етиб борганлиги билан аниқланади.

Спинтроника элементларининг амалиётда қўлланиши

Спинтроника элементларини қуйидаги соҳаларда ишлатиш мумкин:

Электр энергиясини доимий магнит майдонга ва аксинча орқага айлантирадиган кимёвий реаксияларсиз қаттиқ ҳолатдаги аккумулятор (яъни доимий магнитни ток билан магнитлангандек ва уни орқага қайтариб магнетизация қиладигандек, ҳаракатланувчи қисмларсиз ток беради — илгари ҳатто назарий жиҳатдан ҳам имконсиз деб ҳисобланган; аммо бу ерда назария билан ҳеч қандай қарама-қаршилик мавжуд эмас, чунки батареядаги токнинг ҳаракатланувчи қисмлари спин-поляризацияланган токнинг элементар ташувчилари ҳисобланади).^[2]
Электрон компонентлар:
- СТТ-МРАМ (Спин Торқуэ Трансфер МРАМ) типли компютер хотираси;
- „ферромагнетик (Cо ${\дисплайстйле _{84}}$ Фе ${\дисплайстйле _{16}}$ ) — кремний — ферромагнетик (Ни ${\дисплайстйле _{80}}$ Фе ${\дисплайстйле _{20}}$ ) − аралашмали кремний“ кўринишидаги қалин структурага эга бўлган спинли транзисторлар. Биринчи ферромагнитли қатламдан ўтгандан сўнг ток спин-поляризацияга эга бўлади, ушбу поляризация (қутбланиш) кремнийли қатламдан ўтиш вақтида қисман сақланиб қолади (2007-йилда 350 ${\дисплайстйле \му}$ м қалинликдаги кремний қатламдан ўтганда электронларнинг 37 % ида спин поляризация сақланиб қолган).Бу эса чиқишда спин токининг қийматини икки қаватли ферромагнит қатламининг магнит майдони ёрдамида ўзгартириш имконини беради (гигант магнит қаршилиги<реф>);
- Замонавий CМОС-схемаларга нисбатан бир неча баробар тезроқ (сигнал ушланиб қолиш вақти 1 нс дан камроқ), деярли қизимайдиган (иссиқлик ажралиши ${\дисплайстйле 10^{-17}}$ Ж тартибида) ва ионизацияловчи нурланиш таъсирига чидамли бўлган мантиқий схемалар.

Яна қаранг

Манбалар

↑ Жуллиэре, М. (1975). „Туннелинг бетwеэн ферромагнетиc филмс“. Пҳйсиcс Леттерс А. 54-жилд, № 3. 225–226-бет. Бибcоде:1975ПҳЛА...54..225Ж. дои:10.1016/0375-9601(75)90174-7.
↑ Жоҳнсон, М.; Силсбеэ, Р. Ҳ. (1985). „Интерфаcиал чарге-спин cоуплинг: Инжеcтион анд детеcтион оф спин магнетизатион ин металс“. Пҳйсиcал Ревиэw Леттерс. 55-жилд, № 17. 1790–1793-бет. Бибcоде:1985ПҳРвЛ..55.1790Ж. дои:10.1103/ПҳйсРевЛетт.55.1790. ПМИД 10031924.

[1] Жуллиэре, М. (1975). „Туннелинг бетwеэн ферромагнетиc филмс“. Пҳйсиcс Леттерс А. 54-жилд, № 3. 225–226-бет. Бибcоде:1975ПҳЛА...54..225Ж. дои:10.1016/0375-9601(75)90174-7.

[2] Жоҳнсон, М.; Силсбеэ, Р. Ҳ. (1985). „Интерфаcиал чарге-спин cоуплинг: Инжеcтион анд детеcтион оф спин магнетизатион ин металс“. Пҳйсиcал Ревиэw Леттерс. 55-жилд, № 17. 1790–1793-бет. Бибcоде:1985ПҳРвЛ..55.1790Ж. дои:10.1103/ПҳйсРевЛетт.55.1790. ПМИД 10031924.

[1]

[2]