Спинтро́ника (спиновая электроника), новое направление квантовой электроники, основанное на совместном использовании заряда и спина электрона. В отличие от традиционной электроники, где ключевую роль в хранении и обработке информации или энергии играют электрический заряд и зарядовые токи, в спинтронике основную роль играют спин и спиновые токи. Это позволяет разрабатывать устройства хранения и передачи информации, сенсоры магнитного поля и детекторы СВЧ-сигналов, которые радикально выигрывают у традиционных полупроводниковых аналогов по таким ключевым параметрам, как скорость работы, плотность хранения данных, энергоэффективность и чувствительность. В спинтронике принято выделять такие направления, как металлическая спинтроника, полупроводниковая спинтроника, спин-орбитроника, оптоспинтроника и др.

Историческая справка

Началом современной спинтроники принято считать исследования, сделанные в 80-х гг. 20 в. В 1988 г. независимо А. Фером и П. Грюнбергом был открыт эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных структурах, состоящих из чередующихся магнитных и немагнитных металлических слоёв нанометровой толщины (Giant Magnetoresistance ... 1988; Enhanced magnetoresistance ... 1989). За это открытие Фер и Грюнберг были удостоены Нобелевской премии по физике за 2007 г., что во многом было обусловлено той огромной ролью, которую сыграл эффект гигантского магнитосопротивления в индустрии хранения данных. Эффект гигантского магнитосопротивления заключается в изменении электрического сопротивления структуры при изменении взаимной ориентации намагниченности ферримагнитных слоёв от параллельной (ферромагнитной) к антипараллельной (антиферромагнитной), что позволяет электрически детектировать изменение состояния намагниченности под действием различных внешних факторов. Основной физический механизм эффекта гигантского магнитосопротивления заключается в спин-зависимом рассеянии электронов проводимости на интерфейсах ферромагнетик – парамагнетик, при этом необходимо, чтобы длина свободного пробега электронов была существенно больше толщины слоёв в многослойной структуре. Этим объясняется тот факт, что гигантское магнитосопротивление наблюдается только в многослойных структурах с толщинами отдельных слоёв порядка нескольких нанометров. Также ключевым открытием в этой области стало обнаружение возможности инжектирования спин-поляризованного тока из ферромагнетика в нормальный металл (Johnson. 1985). Важную роль в становлении спинтроники сыграли открытия осциллирующего обменного взаимодействия в магнитных мультислоях (Parkin. 1990) и спинового вентиля (spin-valve) (Magnetotransport properties ... 1991), которые позволили разрабатывать и создавать спинтронные устройства с заданными магнитными и электрическими свойствами.

В настоящее время (20-е гг. 21 в.) в технологии широко используется эффект туннельного магнитосопротивления в структурах, где в качестве немагнитной прослойки вместо проводника используется тонкий слой диэлектрика. Эффект туннельного магнитосопротивления был открыт ещё в 1975 г. в структурах $\text{Fe/GeO/Co}$, однако наблюдался при температуре 4,2 К. Затем в структурах $\text{Fe/Al}_2\text{O}_3\text{/Fe}$ было обнаружено туннельное магнитосопротивление при комнатной температуре, величина которого составляла лишь 2,7 %. В 2001 г. было предложено в качестве туннельной прослойки использовать $\text{MgO}$, что, по теоретическим оценкам, должно было позволить получить величину магнитосопротивления в несколько тысяч процентов. В 2004 г. был продемонстрирован магнитный туннельный контакт с магнитосопротивлением около 200 % (Giant room-temperature ... 2004; Giant tunnelling ... 2004), а максимальная полученная величина магнитосопротивления (на 2021) равна 604 % (Tunnel magnetoresistance ... 2008).

На основе эффектов магнитосопротивления была основана спинтроника первого поколения, где динамика намагниченности возникала из-за взаимодействия намагниченности с локальными магнитными полями и считывание осуществлялось электрически, за счёт изменения сопротивления. В дальнейшем для управления намагниченностью было предложено использовать эффект переноса спина. Этот новый принцип управления намагниченностью основан на прямом контактном способе переключения намагниченности в наноразмерных элементах с помощью электрического тока. Эффект переноса спина был предсказан теоретически в 1996 г. американским физиком Дж. Слончевским и немецким физиком Л. Бергером и вскоре после этого обнаружен экспериментально. Эффект заключается в передаче спина от спин-поляризованных электронов проводимости к спиновой системе магнитного слоя, намагниченностью которого необходимо управлять (Звездин ... 2008). Использование эффекта переноса спина позволяет эффективно управлять намагниченностью и намного технологичнее, чем при применении традиционных методов, основанных на индуцировании магнитных полей. На применении эффекта переноса спина совместно с эффектом туннельного магнитосопротивления основана спинтроника второго поколения.

Магнитный туннельный переход и спинтронные устройства

На 2021 г. единственным массовым спинтронным элементом, используемым в индустриальных продуктах, является наностолбик, принцип действия которого основан на магнитном туннельном переходе. Большинство перспективных разработок также опираются на него, как на элементарный блок, при построении более сложных спинтронных устройств.

Наностолбик представляет собой структуру, состоящую из двух тонких ферромагнитных слоёв, разделённых немагнитной прослойкой, при этом векторы намагниченности магнитных слоёв могут быть неколлинеарны друг другу. Для практических задач намагниченность одного из слоёв фиксируют. Это осуществляется, например, при помощи дополнительного антиферромагнитного слоя, который закрепляет (пиннингует) вектор намагниченности соседнего ферромагнитного слоя при помощи обменного взаимодействия на интерфейсе. Такой слой, как правило, называют поляризатором. Вектор намагниченности второго слоя остаётся свободным, за счёт чего данный слой обычно называют свободным слоем. Толщина слоёв в таких структурах обычно составляет несколько нанометров, а планарные размеры – от десятков до сотен нанометров. Эти размеры коррелируют с обменной длиной в ферромагнитном материале, а также длиной спиновой диффузии. При пропускании через такую структуру электрического тока, направленного перпендикулярно плоскости, электроны проводимости приобретают спиновую поляризацию в закреплённом слое (поляризаторе), которую они сохраняют и при прохождении через тонкую немагнитную прослойку. Попадая во второй магнитный слой (свободный слой), намагниченный неколлинеарно первому, электроны попадают в сильное обменное поле локализованных электронов и на расстоянии нескольких ангстремов приобретают новое направление спиновой поляризации. При этом тот момент импульса, который они принесли из слоя с фиксированной намагниченностью, передаётся магнитной системе свободного слоя, создавая вращающий момент, который может привести в том числе к переключению намагниченности, а также создавать микроволновую динамику намагниченности (Microwave oscillations ... 2003). Для электрического детектирования возникающей спиновой динамики или факта переключения свободного слоя используются эффекты гигантского или туннельного магнитосопротивления.

Эффекты гигантского и туннельного магнитосопротивления стали основой для сверхчувствительных наноразмерных магнитометров нового поколения (Femtotesla Magnetic Field ... 2004), а затем и для магниторезистивной оперативной памяти (magnetic random access memory, MRAM) (Daughton. 1993). Отметим, что технология MRAM возникла ещё до открытия эффекта гигантского магнитосопротивления. Были и более ранние попытки создания MRAM (The concept ... 1982), однако ключевые параметры этих устройств (скорость, объём и плотность хранения информации, энергоэффективность, надёжность) не были конкурентоспособны из-за малой величины магнитосопротивления (доли процента). Только появление устройств MRAM, основанных на туннельном магнитосопротивлении, позволяет создавать коммерчески востребованные MRAM-продукты. Первое поколение MRAM использовало в своей работе управление ячейками, основанное на использовании магнитных полей, индуцированных при пропускании электрического тока через токовые шины. При этом намагниченность одного из слоёв была жёстко закреплена, а намагниченность второго – изменялась в зависимости от битового состояния ячейки. Такая память была коммерциализирована американской компанией Everspin, и уже более 10 лет доступна на мировом рынке. При этом память с полевым управлением имеет существенные фундаментальные ограничения по масштабируемости, скорости и энергопотреблению, для преодоления которых потребовался переход на новые принципы управления намагниченностью. Второе поколение магнитной оперативной памяти, STT-MRAM, основано на спин-трансферном управлении намагниченностью (Basic principles ... 2013). Это позволило к 2019 г. осуществить масштабирование технологии STT-MRAM на технологический процесс 22 нм.

Кроме STT-MRAM разработано целое семейство спинтронных устройств, например трековая память на сдвиговых регистрах (racetrack memory) (Parkin. 2008; Current-Controlled Magnetic ... 2008). В её основе лежит магнитная нанополоска, по которой под действием магнитного поля или тока перемещаются магнитные домены, кодирующие информацию. Также на основе нанополосок, через которые пропускается ток, можно создавать мемристоры. Другим перспективным спинтронным прибором является спин-трансферный наноосциллятор (СТНО) (Microwave oscillations ... 2003; Direct-Current Induced ... 2004). Его действие основано на том, что за счёт эффекта переноса спина, возможно не только перемагничивание отдельного магнитного наностолбика, но также, при определённых условиях, возбуждение в нём осцилляций намагниченности на микроволновых частотах. В результате может быть получен генератор переменного сигнала в гигагерцевом диапазоне. Также в настоящее время активно разрабатывается прибор, основанный на обратном к описанному эффекту генерации спиновом диодном эффекте (Spin-torque diode effect ... 2005; Skirdkov. 2020). Он заключается в том, что при пропускании через магнитный туннельный переход переменного тока сопротивление структуры начинает осциллировать с частотой переменного тока за счёт осцилляций намагниченности свободного слоя, вызванных эффектом переноса спина. В то же время у выходного напряжения, определяемого как произведение тока на сопротивление, появляется постоянная компонента, так как частоты внешнего тока и переменной части сопротивления совпадают. Кроме этого, активно обсуждаются более сложные спинтронные нейроморфные (Neuromorphic spintronics. 2020) и стохастические элементы (Magnetization reversal ... 2019 ; Nanoscale true random ... 2019). Эти устройства сейчас переходят в стадию инженерных разработок.

Перспективы развития спинтроники

Среди перспективных направлений развития спинтроники следует выделить спин-орбитронику, основанную на концепции беззарядовых спиновых токов, когда в гетероструктурах типа магнетик/тяжёлый металл, за счёт эффектов спин-орбитальной природы реализуется поток спинов без переноса заряда. Это позволяет управлять намагниченностью без пропускания зарядового тока через магнитный туннельный слой, что повышает надёжность, энергоэффективность и скорость работы спинтронных устройств. Существенную роль в спин-орбитронике играет спиновый эффект Холла, который заключается в генерации зарядовым током перпендикулярного ему спинового тока вследствие спин-орбитального взаимодействия. В случае если генерация обусловлена спин-зависимым рассеянием электронов на примесях или дефектах, эффект принято называть несобственным спиновым эффектом Холла. Данный эффект теоретически был предсказан для полупроводников М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем в 1971 г., для металлов – Х. Хиршем в 1999 г.; позже был обнаружен экспериментально в полупроводниках (Observation of the Spin ... 2004) и металлах (Conversion of spin ... 2006). Помимо несобственного существует ещё и собственный спиновый эффект Холла, предсказанный теоретически в 2004 г. (Universal Intrinsic Spin Hall Effect. 2004), а затем обнаруженный экспериментально (Experimental Observation ... 2005) в материалах с отсутствием центра инверсии и большим спин-орбитальным взаимодействием. В таких материалах помимо спинового эффекта Холла также обнаружен эффект Рашбы, который проявляется в спиновой поляризации протекающего по материалу тока. Этот эффект пренебрежимо мал в объёме и носит интерфейсный характер. Использование чистого спинового тока, обусловленного описанными выше эффектами, может обеспечить эффективное управление намагниченностью наноструктур за счёт создания действующих на неё вращающих моментов. Это имеет место для практически любой гетероструктуры, состоящей из ферромагнетика и материала с большим спин-орбитальным взаимодействием ($\text{Pt}$, $\text{Ir}$, $\text{W}$, $\text{Ta}$, $\text{Pd}$ и т. п.). Используя вращающие моменты, создаваемые спиновыми токами, возможно возбуждать динамику доменных стенок, повышать Уокеровский предел, перемагничивать ферромагнитные наностолбики, а также возбуждать осцилляции намагниченности.

В настоящее время идёт активная работа по разработке прототипов спин-орбитронных устройств хранения информации. В рамках этого исследуется возможность использования обратных спин-орбитальных эффектов (обратный спиновый эффект Холла, обратный эффект Рашбы – Эдельштейна и др.), которые позволяют электрически детектировать спиновые токи и динамику намагниченности. Например, обратный спиновый эффект Холла (ОСЭХ) заключается в генерации зарядовых токов, перпендикулярных спиновым токам. Ключевым параметром, характеризующим эффективность работы устройств спин-орбитроники, является угол спинового эффекта Холла, который определяет эффективность конверсии зарядового тока в спиновый; рекордные значения здесь демонстрируют некоторые топологические изоляторы. Например, при низких температурах в легированном хромом топологическом изоляторе экспериментально было продемонстрировано переключение намагниченности протекающим в плоскости током (Magnetization switching ... 2014). В 2014 г. экспериментально была обнаружена спиновая поляризация, индуцированная электрическим током на поверхности $\text{Bi}_2\text{Se}_3$ (Electrical detection. 2014). Было показано (Mellnik. 2014), что электрический ток, протекающий вдоль интерфейса $\text{Bi}_2\text{Se}_3/\text{Py}$, при комнатной температуре создаёт вращающий момент в пермаллое, по величине превосходящий все другие источники подобных вращающих моментов, изученные на сегодняшний день. Более того, в случае легированных материалов (например, $\text{BiTeI}$) экспериментально было показано, что, хотя материал и перестаёт быть изолятором и демонстрирует объёмную проводимость, он по-прежнему обладает сильным спин-орбитальным взаимодействием, достаточным для возбуждения динамики намагниченности (Giant Rashba-type ... 2011).

Использование спин-орбитальных эффектов также открывает перспективы создания полупроводниковых спинтронных устройств, которые, как ожидается, будут наиболее легко интегрироваться с полупроводниковой электроникой (Спинтроника полупроводниковых ... 2019). Очень перспективным является использование в спинтронных устройствах железо-иттриевого граната, обладающего рекордно низкой константой затухания Гильберта, что позволяет создавать твердотельные сенсоры магнитного поля с чувствительностью, сопоставимой со СКВИД-магнитометрами, которые смогут неинвазивно детектировать альфа-ритмы мозга (Evolution of MEG ... 2021). Помимо этого, магнитные диэлектрики, в частности железо-иттриевый гранат, в силу чрезвычайно малой электрической проводимости также способствуют переходу к беззарядовым спиновым токам.

Другим перспективным направлением развития спинтроники является разработка сверхбыстрых спинтронных устройств, работающих на частотах порядка терагерца. Для создания таких устройств используются ферримагнитные и антиферромагнитные материалы, а для возбуждения динамики намагниченности – сверхкороткие лазерные импульсы (Звездин. 2018; Kirilyuk ... 2010) (см. Фемтомагнетизм). Ожидается, что память, основанная на этих эффектах, будет обладать рекордными характеристиками по скорости и энергоэффективности.