Cпинтроника

Память, датчики и невидимость  31 Июль 2015, 04:39
Спинтроника 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).
 

Что такое спин?

Спин — дословно, с английского, «вращение». Он может равняться либо одной второй (спиновое число электрона Je = 1/2), и тогда направлен вверх, либо минус одной второй (спиновое число электрона Je = –1/2), и в этом случае направлен вниз. «Спин можно изобразить как волчок, — поясняет начальник сектора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ Олег 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 считается, 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.»
 
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 его использованию.
Таинственный спин в 1988 году открылся человечеству в реальной жизни в виде уникального явления: эффекта магнитосопротивления в многослойных магнитных структурах. Проще говоря, ученые обнаружили, 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. Применили 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 еще к 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 наноразмеры, то их сразу же применили в считывающих головках жестких дисков с плотностью записи свыше 100 Гбит/дюйм2. 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, то есть на три порядка меньше, чем у флэш-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти в два раза меньше, чем у флэш- и оперативной памяти DRAM. Таким образом, использование MRAM в микропроцессорах радикально уменьшает их размеры при увеличении количества и плотности элементов, повышает 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 микропроцессоров университета Тохоку (Center for Spintronics Integrated Systems, Tohoku University). Он объединил для усиленного технологического рывка более 20 японских и американских компаний-производителей микрочипов.
東北大学 省エネルギー・スピントロニクス集積化システムセンターでは、スピントロニクス材料・素子・回路の研究・開発を並行して推進し、他の追随を許さないスピントロニクス論理集積回路の基盤技術体系(研究開発、製造から回路設計までが統合された体系)と、集積回路試作環境を構築・整備します。
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 Spin Torque Transfer — 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 концерн-гигант по производству 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 их обещают запустить к 2018 году.
Single SPI mode and high speed quad SPI mode Clock rate up to 104MHz.  Read and Write at 52MB/sec Fast Quad Read and Write Commands Dual 3.3v VDD / 1,8v. VDDQ Dual purpose pins to maintain a low pin..
В настоящее время серийно MRAM-чипы выпускает компания Everspin, учрежденная Freescale (бывшей Motorola). 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, изготавливаемых Everspin, составляет 16 Мб. Они работают в температурных диапазонах от –40 до +85 градусов Цельсия. Цена одного элемента MRAM объемом 4 Мб — $11.
На магниторезистивную память возлагаются большие надежды
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 производство магниторезистивной памяти по технологии второго поколения TAS (Thermal Assisted Switching, термическое переключение) MLU (Magnetic Logic Unit, магнитная логическая ячейка).
КРОКУС НАНОЭЛЕКТРОНИКА (КНЭ) строит первый в мире завод, который будет серийно выпускать современные MLU-устройства на пластинах 300мм
Технологию изготовлениея пластин с размером ячейки 90 нм совместно разработали американские компании Crocus Technology и IBM. Производство, мощность которого должна составить 500 пластин в неделю, размещено в технополисе «Москва» на территории бывшего АЗЛК.

Технополис «Москва» — территория бывшего мос­ковского автомобилестроительного завода, ныне превращенная в площадку для высокотехнологичных частных предприятий. Одно из них — «Крокус Наноэлектроника» — занимается выпуском магниторезистивной памяти по технологии второго поколения.

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, как 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

В основе работы ячеек магниторезистивной оперативной памяти лежит эффект туннельного магнитного сопротивления
Многослойные материалы с эффектом туннельного магнитного сопротивления (с туннельным магнитным переходом, в английской литературе MTJ — Magnetic Tunnel Junction) похожи на ГМС-конструкции. Это тоже «сэнд­вичи», в которых 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. Такой процесс называется туннелированием и 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 (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере), состоящий из 12 атомов антиферромагнетика (вещества, в котором магнитные спины атомов направлены противоположно и равны по значению). Для сравнения: 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.
Так магнитные спины 12 атомов антиферромагнетика представляют ноль или единицу
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.
 

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 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. В числе соавторов разработки студенты и аспиранты Университета, сотрудники корпорации Intel и Исследовательского бюро Армии США.
Исследовательские лаборатории, работающие по армейским контрактам, изыскивают способы обеспечения работы сложной современной электроники и прецизионной механики в самых суровых условиях, будь то пыльные бури Ближнего Востока или ледяные пустыни Арктики
Инженерный центр исследований и разработки автобронетанковой техники (TARDEC) Армии США 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 найти самое широкое применение в вооруженных силах США: обеспечить солдат маломощными источниками энергии, боевыми и тактическими машинами, многофункциональными антеннами, робототехникой, низкоэнергетическими системами радиорелейной связи и «умной броней».
Так, технология Spin Torque Transfer использует 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 посредством магнитного поля. По сути, речь идет о возможности создания генераторов СВЧ-диапазона, работающих на абсолютно новых принципах.
Для военных приложений сенсорные технологии должны быть более чувствительными и гораздо более реактивными, и нам удалось
этого достичь
Джей Нараян (Jay Narayan), профессор кафедры материаловедения и инжиниринга Университета штата Северная Каролина
Видимо, эту возможность использует группа исследователей TARDEC в сотрудничестве с физиком-теоретиком Оклендского университета профессором Андреем Славиным. При поддержке пилотной программы Армии США по спинтронике они с 2008 года изучают феномен генерации микроволнового излучения микроволновыми осцилляциями намагниченности спин-поляризованного тока в наноразмерных многослойных наноструктурах. Группа призвана разработать практические методы контроля микроволновых генераторов с помощью магнитного поля, а 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.
Эксперименты исследовательской группы Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета с «плащом-невидимкой» толщиной всего 70 микрон. Исследователи утверждают, что такое покрытие поглощает 99,9% падающего на него света.
Исследовательская группа Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета занята разработкой «плаща-невидимки». Она предложила маскирующую поверхность, которая работает в видимом диапазоне для произвольной формы трехмерных объектов большой площади. «Плащ» представляет собой плоский ковер, состоящий из низкой плотности леса углеродных нанотрубок, которые могут визуально сжимать произвольные трехмерные объекты и превращать их в невидимые двухмерные. Невидимость наблюдалась невооруженным глазом для неполяризованного света во всем видимом диапазоне. Маскировался объект в 100000 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.
Алмаз имеет множество преимуществ для спинтроники. 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.
Крис Хэммел (Chris Hammel), физик-экспериментатор, руководитель группы исследователей университета штата Огайо
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. 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. Алмазный провод, несмотря на название, не такое уж дорогое удовольствие (счет идет на десятки 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 привлекает студентов и аспирантов к этой модной тематике. 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 технологии спинтронных вычислительных устройств и чипов памяти. Находится на территории университета штата Миннесота. Центр финансируется пятилетним грантом в $28 млн, выданным Semiconductor Research Corporation и Оборонным агентством перспективных исследовательских проектов (DARPA).
C-SPIN is a world-leading center that brings together top researchers from across the nation to develop technologies for spin-based computing and memory systems. The center goal is to investigate ground-breaking technologies that will enable computer systems that operate using the spin of an electron, as opposed to its charge, the basis of today’s computers.
CSEQuIN — Центр спиновых эффектов и квантовой информации в наноструктурах. Находится в Университете Баффало. Его лаборатория спинтроники и полупроводников финансируется DAPRA.
Комплекс зданий Университета Баффало. Здесь расположен Центр спиновых эффектов и квантовой информации в наноструктурах, лаборатория спинтроники и полупровод­ников которого финансируется DAPRA.
CSQC (Калифорния, США) — Центр спинтроники и квантовых компьютеров. Является частью Калифорнийского института наносистем Университета Санта Барбара.
A nanoelectronics research unit located at the University of California, Santa Barbara dedicated to research and education in spin-based electronics and quantum information processing.
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.
Политехнический институт Гренобля,  где находится исследовательская лаборатория Spintec
Налицо острое соперничество за лидерство на рынке спинтронных устройств между Францией и другими странами Евросоюза, между ЕС, 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.