После Нобелевской премии 2007 года по физике за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления (GMR– Giant Magneto Resistance) в мир пришла мода на спинтронику.
Это новое направление прикладных исследований развивается на стыке физики, химии и материаловедения и сулит перерасти в новый технологический уклад, потеснив полупроводниковую микроэлектронику. Объединив два слова «спин» и «электроника» – то есть спиновая электроника – в одно, ученые обозначили перспективное мультидисциплинарное направление науки и техники термином спинтроника (spintronics).
Спинтроника, как и электроника, основана на свойствах элементарной частицы – электрона. Если электроника базируется на свойствах электрического заряда электрона, то спинтроника – на свойствах спина электрона.
Свойства спина известны физикам уже довольно давно – почти сто лет. Но только в конце XX века они смогли найти ключ к использованию спина.
Таинственный спин в 1988 году открылся человечеству в реальной жизни в виде уникального явления: эффекта магнитосопротивления в многослойных магнитных структурах. Проще говоря, ученые открыли, что под воздействием слабого магнитного поля в трехслойных пленках нанотолщины, составленных из разных металлов, то появляется, то исчезает электрический ток. Открытие назвали гигантским магнитосопротивлением (ГМС, в англоязычной литературе – GMR). А многослойные металлические конструкции с ГМС поименовали спиновыми вентилями.
За годы, прошедшие с момента открытия ГМС, физики и химики успели создать и исследовать около 11 видов спиновых вентилей с различной структурой. Добавили тонкую прослойку рутения – повысили термостабильность сенсоров. Использовали кобальтовый феррит в качестве изолирующего магнито-жесткого слоя – уменьшили шунтирующий эффект и повысили величину ГМС. Ввели в структуру нанооксидные слои и антиферромагнетики – увеличили магниторезистивное отношение и чувствительность спинового вентиля.
Исследования ГМС-конструкций привели к еще одному типу материалов для спинтроники – туннельным магнитным структурам с эффектом туннельного магнитосопротивления (ТМС, в англоязычной литературе –TMR).
Поскольку многослойные ГМС и ТМС-конструкции имеют очень высокую чувствительность и наноразмер, то их сразу же применили в считывающих головках жестких дисков с плотностью записи свыше 100 Гбит/кв. дюйм. Основу головки считывания составляют три слоя: магнитомягкий, немагнитный, магнитожесткий. Намагниченность жесткого материала зафиксирована, а магнитомягкого материала – может меняться внешним полем – битом информации.
Мгновенная, экономная память
Наногетероструктуры с магнитным туннельным переходом догадались использовать и как базовые элементы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM имеет большие преимущества по сравнению с энергонезависимыми носителями информации на полупроводниковой основе. Время выборки данных у MRAM – менее 10 нс, что в 5 раз меньше, чем у флэш-памяти, а время записи меньше 2 нс – на три порядка меньше, чем у флэш-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти в два раза меньше, чем у флэш- и оперативной памяти DRAM. То есть использование MRAM в микропроцессорах радикально уменьшает их размеры при увеличении количества и плотности элементов, увеличивает быстродействие, существенно экономит энергию и снимает проблему охлаждения элементов памяти: они не перегреваются.
Разработки MRAM уже больше десяти лет ведутся исследовательскими центрами компаний Freescale(Motorola), IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, Samsung вместе с Hynix, а также NEC совместно с Toshiba.
В Японии в 2010 году ведущим разработчиком технологий MRAM стал Центр спинтронных микропроцессоровуниверситета Тохоку (Center for Spintronics Integrated Systems Tohoku University Tohoku University, Sendai, Miyagi Prefecture). Он объединил для усиленного технологического рывка более 20 японских и американских компаний-производителей микрочипов. Цель сотрудничества: к концу финансового 2016 года разработать надежный и экономически эффективный способ массового производства чипов памяти нового поколения STT-MRAM (на основе второго поколения технологии туннельного магнитосопротивления SpinTorqueTransfer – перенос момента спина), призванных заменить нынешние чипы DRAM. Среди участников проекта – третья в мире по объему производства микропроцессорной техники компания Tokyo Electron, мировой лидер по выпуску полупроводниковых плат Shin-Etsu Chemical, японский производитель микрочипов Renesas Electronics, японский гигант электронной техники Hitachi, американская компания Micron Technology, второй в мире производитель элементов памяти DRAM. В Центре уже получены тестовые образцы чипов памяти нового типа. В серийное производство обещают запустить их к 2018 году.
В настоящее время серийно MRAM-чипы производит компания Everspin, учрежденная Freescale (бывшейMotorola). С ее конвейеров уже сошло около 10 миллионов новых чипов памяти объемом 512 кб и 2 Мб. Сегодня наиболее востребованы в Everspin MRAM-чипы объемом 256 кб, 1 Мб и 4 Мб. Самый большой объем памяти элементов MRAM, производимых Everspin, составляет 16 Мб. Они работают в температурных диапазонах от – 40 до + 85 градусов Цельсия. Цена одного элемента MRAM объемом 4 Мб – 11 долларов США.
Компания Everspin предлагает их использовать для аэрокосмических и военных коммуникационных, информационных и управляющих систем, систем безопасности и автономных систем регистрации данных (черные ящики, замена устройств памяти на аккумуляторных батареях). Их производство в будущем ориентировано на применение в цифровых фотоаппаратах, ноутбуках, смарт-картах, мобильных телефонах, персональных компьютерах и прочей бытовой технике.
В России компания «Крокус Наноэлектроника» – совместное предприятие «Роснано» и Crocus Technology – запустила производств магниторезистивной памяти по технологии второго поколения TAS (Thermal Assisted Switching) MLU (Magnetic Logic Unit – магнитная логическая ячейка). Технологию производства пластин с размером ячейки 90 нм совместно разработали американские компании Crocus Technology и IBM. Производство размещено в технополисе «Москва» на территории бывшего АЗЛК. К концу 2014 года производительность должна составить 500 пластин в неделю.
Все для фронта
Практически все разработки в области спинтроники одновременно с гражданским предназначением сразу отрабатываются и в направлении военной тематики.
В США исследователи университета штата Северная Каролина (США) придумали, как с помощью спинтроники сделать сенсорные датчики умнее. Наносекундными лазерными импульсами они нанесли диоксид ванадия на кремниевую подложку, чтобы получившийся материал стал магнитным. Диоксид ванадия используют для изготовления инфракрасных датчиков. Находка группы ученых из университета Северной Каролины позволила объединить инфракрасный магнитный датчик с микропроцессором в одном монокристалле. Датчик стал работать быстрее и энергоэкономнее. Интеллектуальные инфракрасные датчики с магнитными свойствами предназначены для использования в военных целях в спинтронных устройствах следующего поколения.
«Для военных приложений сенсорные технологии должны быть более чувствительными и гораздо более реактивными, и нам удалось этого достичь», – отозвался о своей работе руководитель исследовательского проекта Джей Нараян, профессор кафедры материаловедения и инжиниринга университета штата Северная Каролина. В числе соавторов разработки студенты и аспиранты университета Северной Каролины, сотрудники корпорации Intel и Исследовательского бюро Армии США.
Tанково-автомобильный научно-исследовательский центр Армии США (TARDEC) в сотрудничестве с учеными-исследователями из Оклендского университета развивает спинтронику, ожидая значительного прогресса в технологиях СВЧ, сенсорных сетей и систем связи. Армия США рассчитывает на спинтронику в разработке решений низкоэнергетического электропитания для жизнеобеспечения боевых частей на значительном удалении от мест цивилизации и в суровых условиях эксплуатации, подобных Ираку и Афганистану. Достижения спинтроники должны обеспечить армию США маломощными источниками энергии, боевыми и тактическими машинами, многофункциональными антеннами, робототехникой, низкоэнергетическими системами радиорелейной связи и умной броней для солдат.
Так, технология SpinTorqueTransferиспользует поляризованный по спину транспортный ток через многослойную наноструктуру для манипуляции ее магнитным состоянием. Эффект переноса спина может вызывать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика с частотами, лежащими в СВЧ-диапазоне. Такая прецессия может стать источником излучения электромагнитных СВЧ-волн, частотой которых можно управлять и при помощи тока, и при помощи магнитного поля. По сути, речь идет о возможности создания генераторов СВЧ-диапазона, работающих на абсолютно новых принципах.
Видимо, эту возможность использует группа исследователей TARDEC в сотрудничестве с физиком-теоретиком Оклендского университета профессором Андреем Славиным. Они с 2008 года изучают как раз феномен генерации микроволнового излучения микроволновыми осцилляциями намагниченности спин-поляризованного тока в наноразмерных многослойных наноструктурах при поддержке пилотной программы Армии США по спинтронике. Группа должна разработать практические методы контроля микроволновых генераторов с помощью магнитного поля. Ее технологические разработки должны быть переданы в несколько научных и технологических военных программ, включая микро- и наноэлектронику, беспроводные коммуникации, сбор энергии и радиационно-устойчивые материалы.
Исследовательская группа Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета занята разработкой плаща-невидимки. Она предложила плащ, который работает в видимом диапазоне для произвольной формы трехмерных объектов большой площади. Он представляет собой плоский ковер, состоящий из низкой плотности леса углеродных нанотрубок, которые могут визуально сжимать произвольные трехмерные объекты и превращать их невидимые двумерные. Невидимость наблюдалась невооруженным глазом для неполяризованного света на всем видимом диапазоне. Маскировался объект, в 100 000 раз больший, чем длина волны. Авторы утверждают, что их подход, основанный на совершенном поглощении, не ограничивается ковром из углеродных нанотрубок и может быть применен к более широкому диапазону частот от ультрафиолета до терагерц, причем для сколь угодно больших объектов. Свою версию плаща-невидимки они предлагают и для объяснения черноты космоса.
Физики из университета штата Огайо впервые продемонстрировали, что спин может однажды войти в обиход передачи по алмазному проводу компьютерных данных. Их эксперимент показал, что алмазы передают спин лучше многих металлов, где наблюдался эффект магнитосопротивления.
«Алмаз имеет множество преимуществ для спинтроники, – утверждает руководитель группы исследователей университета штата Огайо, физик-экспериментатор Крис Хэммел. – Он твердый, прозрачный, электрический изолятор, непроницаемый для загрязнений окружающей среды, кислотоустойчивый и не греется, как полупроводники. Он инертный, с ним ничего нельзя сделать. Для ученого он скучен, пока вы его не ангажируете. Но интересно думать, как алмаз будет работать на компьютере».
Исследователи группы Хэммела изучали спиновые состояния крошечного алмазного проводка длиной 4 мкм и толщиной 200 нм под магнитно-резонансным силовым микроскопом. Они фокусировали микроскоп на отдельных участках провода и убедились, что могут обнаружить, когда спин проходит через эти участки.
Ценник для алмазного провода не достиг масштаба обручального кольца. Он стоит всего 100 долларов, поскольку сделан из синтетических, а не природных алмазов.
Результат эксперимента ученых из Огайо – всего лишь первый и маленький шаг на длинном пути, в конце которого однажды могут оказаться алмазные транзисторы. Однако этот результат может изменить способ исследований спина, считает Хэммел.
Одной из организаций, финансирующих группу Хэммела, является Исследовательский департамент Армии США.
Места знать надо
Сейчас на планете существует множество исследовательских центров, где занимаются спинтроникой. Каждый уважающий себя университет Европы, Америки и Азии занимает студентов и аспирантов этой модной тематикой. Вот лишь небольшой их перечень:
C-SPIN (Миннесота, США) – Центр спинтроники материалов, интерфейсов и новой архитектуры. Многопрофильный университет и индустриальный научно-исследовательский центр. Там развивают технологий спинтронных вычислительных устройств и чипов памяти. Находится на территории университета штата Миннесота. Центр финансируется пятилетним грантом размером 28 млн. долларов, выданным Semiconductor Research Corporation и Оборонным агентством перспективных исследовательских проектов (DARPA).
CSEQuIN – Центр спиновых эффектов и квантовой информации в наноструктурах. Находится в Университете Баффало. Его лаборатория спинтроники и полупроводников финансируется DAPRA.
CSQC (Калифорния, США) – Центр спинтроники и квантовых компьютеров. Является частью Калифорнийского института наносистем Университета Санта Барбара.
NANOSPIN – проект Еврокомиссии. Объединяет 8 академических и промышленных партнеров из 6 стран Евросоюза на основе интереса к спинтронным материалам и устройствам.
Spintec – исследовательская лаборатория, где пытаются перебросить мостик от фундаментальных исследований к перспективным технологиям новой парадигмы производства спинтронных устройств. Находится в Гренобле, под управлением Комиссариата по атомной энергии (CEA) и Национального центра научных исследований (CNRS) Франции. Основная тематика: запоминающие устройства, чипы памяти, MRAM, перенос спина, полупроводниковые устройства.
Налицо острое соперничество за лидерство на рынке спинтронных устройств между Францией и другими странами Евросоюза, между Евросоюзом, США и Азией. При этом американские компании стараются вырваться вперед и со своей территории и через сотрудничество с Японией и Южной Кореей. Посмотрим, чья возьмет.
Что такое спин
Спин – дословно по английски «вращение». Он может равняться либо одной второй (спиновое число электрона Je =1/2), и тогда спин направлен вверх, либо минус одной второй (спиновое число электрона Je = – 1/2), и тогда спин направлен вниз. «Спин можно изобразить как волчок, поясняет начальник сектора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ О.В. Теряев. – На языке физики и математики спин – это вектор собственного момента импульса частицы, характеристика ее вращения вокруг собственной оси. Если представить частицу как теннисный мяч, то стенка мяча будет вращаться со скоростью больше скорости света. В мире больших объектов это невозможно. Поэтому считают, что спин – это такое свойство, у которого нет аналогов в макромире. Если заряд электрона чувствителен к электрическому полю, то спин электрона чувствителен к магнитному полю. Магнитное поле может менять и направление спина, и его численное значение».
Гигантское магнитосопротивление
Гигантское магнитосопротивление открыто в трехслойных металлических пленках железо-хром-железо. При толщине слоев железа в 3 нм толщина слоя хрома между ними варьировалась в экспериментах от 0,9 до 3 нм. Железо является ферромагнетиком, а хром – немагнитным металлом. Когда спины электронов проводимости обоих ферромагнитных слоев выстраивались параллельно, слой хрома пропускал через себя электрический ток. Стоило спинам свободных электронов в ферромагнитных слоях выстроиться антипараллельно, в хромовой прокладке появлялось гигантское сопротивление, и электрический ток практически исчезал. То есть слоистая структура с гигантским магнитосопротивлением работала как диод-выпрямитель. Поэтому многослойные структуры с эффектом ГМС назвали спиновыми вентилями. Обычно в спиновом вентиле один ферромагнетик является магнитожестким (с фиксированной намагниченностью), а другой – магнитомягким, способным менять направление спина под воздействием малого внешнего магнитного поля, что обеспечивает высокую чувствительность таких структур.
Туннельное магнитосопротивление
Многослойные материалы с эффектом туннельного магнитного сопротивления ( с туннельным магнитным переходом, в английской литературе MTJ – Magnetic Tunnel Junction) похожи на ГМС-конструкции. Это тоже сэндвич-конструкции, где слои ферромагнетиков (металлов или манганитов) разделены немагнитным материалом. Только этот немагнитный материал является не металлом, как в ГМС, а диэлектриком – изолятором, например оксидом алюминия. Слой изолятора должен быть настолько тонок (< 2 нм), чтобы электроны ферромагнетиков могли просачиваться сквозь этот барьер. Этот процесс называется туннелированием, он обусловлен волновой природой электрона. Вероятность туннелирования зависит от длины волны или энергии электрона. В ферромагнитном материале энергия электронов с ориентацией спина вверх или вниз различна. Поэтому туннельный эффект – спин-зависимый. Спины ферромагнитных слоев параллельны – проводимость магнитного туннельного перехода велика. Спины антипараллельны – вероятность туннелирования мала. Максимальная величина магниторезистивного эффекта в ТМС – около 50% при комнатной температуре.
Чип памяти из 12 атомов
В исследовательском центре корпорации IBM создали кубит памяти, состоящий из 12 атомов антиферромагнетика. Современный жесткий диск использует около миллиона атомов для хранения одного бита информации.
Ферромагнетики хорошо работают в магнитных накопителях информации, но главным препятствием на пути к их миниатюризации до атомарных размеров является взаимодействие соседних битовых элементов памяти друг с другом. Намагниченность одного битового элемента памяти может сильно влиять на его соседа.
Ученые из IBM Research применили сканирующий туннельный микроскоп для формирования группы из 12 атомов антиферромагнетика, сохранявших бит данных в течение нескольких часов при низкой температуре. Используя присущее этим атомам свойство изменения направлений магнитного спина, ученые продемонстрировали способность компоновать соседние магнитные биты гораздо ближе друг к другу, чем это было возможно ранее. Это позволило значительно увеличить плотность записи/хранения магнитной памяти без нарушения состояния соседних битов.
Антиферромагнетик – вещество, в котором магнитные спины атомов направлены противоположно и равны по значению.
Наталия Теряева