Student World

Na naše otázky o budoucnosti spinové elektroniky odpovídá Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Začal bych otázkou týkající se samotné povahy spinové elektroniky. Ze školy si pamatujeme, že spin elektronu může mít hodnoty 1/2 a -1/2. Spiny mají i protony a neutrony. Nicméně tyto hodnoty přece nemůžeme libovolně přepínat, protože částice v atomu se uspořádávají určitým způsobem, elektrony zaplňují postupně určité hladiny energie atd. Když mluvíme např. o spinových pamětech, co se tím vlastně myslí? To pomocí hodnot spinu přímo reprezentujeme bity?

To jste nadhodil celou řadu otázek, takže to vezmu postupně. V rámci spinové elektroniky nijak nehýbeme s jádrem ani vnitřními elektrony atomu. Jde nám o spin elektronů, které jsou z atomů uvolněné (a tedy vytvářejí i samotný elektrický proud), nebo pracujeme se spiny elektronů v ne úplně zaplněné valenční (nejvyšší) slupce atomu. Když budu dále mluvit o spinu, mám tím na mysli pouze spin právě těchto volných nebo slabě vázaných elektronů.

Druhá věc je, že spíše než na určité hodnoty spinu si vzpomeňte na analogii, kterou používáme, abychom si „podivné“, kvantové vlastnosti mikrosvěta dokázali představit v běžných pojmech. Spin je podle této analogie něco jako směr rotace částice, která vytváří její magnetický moment, pokud je částice elektricky nabitá. Když „pohnete“ spinem, nebo-li když změníte jeho směr, tak se tím může ovlivnit i pohyb elektronu a tím i elektrické vlastnosti zkoumané látky, které lze dále detekovat.

Jako jedna z již používaných aplikací spinové elektroniky se uvádějí spinové paměti. Jak vlastně fungují?

Spintronické součástky se dnes komerčně využívají ve dvou směrech souvisejících s počítačovými paměťmi. U čtecích hlav pevných disků nahradily před 20 lety klasické cívky a dnes slouží jako mikroskopické a velmi citlivé senzory pro čtení informace uložené na disku. Obrovské kapacity dnešních pevných disků jsou umožněny kromě jiných technologických vylepšení právě přechodem na spintronické senzory. Princip senzorů je takový, že magnetické pole paměťového bitu na disku vyvolá změnu orientace spinu elektronů v senzoru, který si můžeme představit jako jednoduchý odporový drátek. Ten je ovšem vyroben z feromagnetického materiálu, např. železa, ve kterém se spiny elektronů od přírody orientují stejným směrem (proto se železo chová jako magnet navenek). Když pod takovým senzorem projde magnetický bit, tak se změní orientace všech těchto uspořádaných spinů a výsledkem je silná elektrická odezva senzoru. V dnešních čtecích hlavách pevných disků už nejsou jednoduché feromagnetické odporové drátky ale složitější feromagnetické multivrstvy. Princip zůstává nicméně podobný, jen citlivost je ještě stonásobně vyšší.

Ona ta citlivost je tak veliká, že při jedné orientaci spinů v takové multivrstvě je odpor senzoru velmi malý a snadno jím tedy protéká elektrický proud, zatímco při opačné orientaci je odpor obrovský a téměř žádný proud součástkou neprotéká. Tohoto se využívá v té druhé skupině počítačových pamětí založených na spintronice. Jsou to tzv. magnetické operační paměti (MRAM), ve kterých jedna či druhá orientace spinů při které proud protéká či neprotéká reprezentují logickou 1 a 0. V tomto případě se jedná o součástku, která nejen umožňuje čtení magnetické informace, ale sama je i tím magnetickým bitem. Kapacita dnešním MRAM je zatím o několik řádů menší než kapacita klasických polovodičových operačních pamětí. MRAM jsou ale paměti, které si skutečně pamatují i po odpojení od elektrického napájení a v budoucnu by tak mohly vést k počítačům, které by se nebootovaly z pevného disku, ale zapínaly a vypínaly se jako žárovka.

Uvádíte, že jedním z problémů současného výzkumu je hledání látky, která by byla feromagnetická a současně šlo o polovodič…

V těch předchozích dvou příkladech komerčních spintronických součástek hrálo klíčovou roli feromagnetické chování materiálu, ze kterého jsou sestrojeny. Příroda nám poskytla řadu kovových feromagnetů, jako železo, kobalt, nikl a různé sloučeniny těchto a jiných kovů. Bohužel ale neexistují běžné polovodiče, které by byly zároveň feromagnetické, a není proto možné jednoduchým způsobem integrovat základní funkce počítače v jedné mikrosoučástce. Těmi funkcemi myslím ukládání a čtení informace, kde se běžně využívá spinu a feromagnetismu, a na druhé straně zpracování informace, kde základní součástkou jsou tranzistory fungující dnes na obyčejných nemagnetických polovodičích; spin elektronu zde nehraje roli.

V minulém desetiletí se mnoho skupin ve světě včetně nás snažilo připravit vhodný umělý feromagnetický polovodič. Výzkum se hodně soustředil na GaAs (gallium arsenid), což je po křemíku a germaniu nejběžnější polovodič používaný v mikroelektronice. Magnetického chování se v něm dá dosáhnou pomocí silné dotace manganem. GaMnAs skutečně vykazuje vzorové feromagnetické chování a dá se na něm demonstrovat i spintronický tranzistor. Bohužel ale funguje jen při teplotách -100 oC a nižších. Obecně se zdá, že přimět materiál, aby byl dobrý polovodič a zároveň při běžných podmínkách i silný feromagnet, je z principiálních fyzikálních důvodů obtížné. V našich nedávných článcích v časopisech Science and Nature Materials jsme představili dvě možnosti, jak ve spintronice obejít feromagnetismus. Spintronika založená na materiálech, které se navenek nechovají jako magnet, je i předmětem našeho nedávno získaného grantu od Evropské výzkumné rady.

Jaké nové výzkumné směry tedy zkoušíte?

Feromagnetické látky představují pouze jednu z variant uspořádání spinů. Existují také antiferomagnety; takových látek je mimochodem v přírodě mnohem více. Zde jsou spiny elektronů uspořádány „proti sobě“, když přecházíme od jednoho atomu k druhému v krystalové mřížce, takže navenek se látka jako magnet nechová. Spiny jsou nicméně uspořádané a jejich kolektivní chování může ovlivňovat elektrické vlastnosti látky podobně jako u feromagnetů. Toto jsme prokázali na příkladu multivrstvy s antiferomagnetickou slitinou iridia s manganem. V souvislosti s polovodiči mají antiferomagnety obrovskou výhodu proti feromagnetům, a to, že mnohem snáze fungují při vysokých teplotách. V našich laboratořích jsme už několik takových vysokoteplotních antiferomagnetických polovodičů připravili.

***

Dr. Tomáš Jungwirth je vedoucím oddělení spintroniky a nanoelektroniky ve Fyzikálním ústavu AV ČR a profesorem na University of Nottingham. Dříve působil také také na University of Texas. Získal prestižní Grant pro pokročilé vědecké pracovníky od Evropské výzkumné rady (ERC). Jde o první tzv. Advanced Grant, který byl udělen českému žadateli na projekt z oblasti věd o neživé přírodě. Pětiletý grant je spojen s částkou 2 miliony eur. Tomáš Jungwirth jej obdržel na studium spintronických součástek.

Úplná verze tohoto článku vychází v CIO-BusinessWorld 6/2011.

Toto číslo právě přichází na stánky.

autor Pavel Houser