Spintronika i efekt GMR: Odkrycie, które uczyniło gigabajtowe dyski mechaniczne możliwymi

Elektrony przewożą więcej niż ładunek

Przeciętna elektryka przenosi elektrony i czyta ich ładunek. Każdy elektron również nosi spin — niezależny kwantowy moment kątowy, który wskazuje na stronę „w górę” lub „w dół” względem pewnego odniesienia. Spintronika to dziedzina, która buduje urządzenia wykorzystujące spin jako dodatkowy kanal informacyjny, nie tylko ładunek. Początkiem i nadal najbardziej komercyjnie ważnym efektem spintroniki jest giantarna magnetożystrość (GMR), odkryta niezależnie w 1988 roku przez Alberta Ferta i Petera Grünberga, praca za którą zdobyli w 2007 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Sandwich: ferrymagnet / spacer / ferrymagnet

Urządzenie GMR to stos cienkich warstw: warstwa ferrymagnetyczna (często kobalt lub koalisja kobaltno-żelazowa), spiker metali nieprzeciwnych magnetycznie (często cynk) o średnicy tylko kilka nanometrów, oraz druga warstwa ferrymagnetyczna. Jedna z warstw ma magnezję ustalone (pinowana do sąsiedniego antiferromagnetyku), a druga jest wolna do rotacji pod wpływem zewnętrznego pola — ta struktura nazywana jest valvą spinową. Prąd przepływa perpendykularnie do warstw (lub, w wcześniejszej geometrii, w płaszczyźnie), a cała konstrukcja urządzenia polega na tym, że opór elektryczny zależy od tego, czy dwie magnetyzowane warstwy są skierowane w tę samą stronę (paralelne) lub w przeciwnych stronach (antyparalelne).

Rożnicowanie zależne od spinu: mechanizm

W ferromagnescie elektrony o spinie zgodnym z lokalną magnetyzacją zderzają się znacznie mniej ze spustoszeniami i granicach kryształowych niż elektrony o przeciwnym spinie — bezpośrednim konsekwencji rozdzielenia wymiany między bandami konduktoryjnymi spinu-górnego i spinu-dolnego w metale ferromagnetycznym. Ponieważ spustoszenie jest dość cienkie, aby elektrony przepłynęły przez nie bez odwracania spinu, dwuciwęzłowa perspektywa (dwie oddzielne strumienie elektronów o spinie-górnym i spinie-dolnym, zaproponowane po raz pierwszy przez Motta w 1936 roku) wyjaśnia cały efekt:

LICZNEGOCH warstw (takie same kierunki): elektrony o spinie-górnym → niskie zderzenia w obu warstwach → niskowspornikowy kanał elektrony o spinie-dolnym → wysokie zderzenia w obu warstwach → wysokowspornikowy kanał → kanał niskowspornikowy short-circuits stos → NISZCZYŻAŁYWA cała wspornikowość ANTYLCZNEGOCH warstw (przeciwne kierunki): każdy elektron jest „zle zorientowany” w jednej lub drugiej warstwie → oba kanały spinowe widzą jedną niskowspornikową i jedną wysokowspornikową warstwę → nie ma ścieżki niskowspornikowej short-circuitu → WYSOKOWSPORNIKOWA cała wspornikowość Stosunek GMR = (R_antylczne - R_liczne) / R_liczne — typowo 10-200% W stanie licznym, jeden z kanałów spinowych ma łatwą ścieżkę przez obie warstwy i dominuje nad strumieniem, działając jak wspornik short-circuited przez znacznie niskowspornikową ścieżkę. W stanie antylcznym, każdy elektron, niezależnie od spinu, musi przepłynąć przez co najmniej jedną wysokowspornikową warstwę, więc brak łatwej ścieżki i cała wspornikowość jest znacznie wyższa. Odwrócenie magnetyzacji warstwy wolnej za pomocą małego zewnętrznego pola powoduje widoczny skok w wspornikowości — ten skok, czytany zawsze wiarygodnie, stanowi podstawę działania każdego głębokiego dysku odczytu od 1990-ych lat.

PARALLEL layers (same direction):
  spin-up electrons  → low scattering in BOTH layers → low-resistance channel
  spin-down electrons → high scattering in BOTH layers → high-resistance channel
  → the low-resistance channel short-circuits the stack → LOW total resistance

ANTIPARALLEL layers (opposite directions):
  every electron is "wrong-aligned" in one layer or the other
  → BOTH spin channels see one low-scattering and one high-scattering layer
  → no low-resistance shortcut exists → HIGH total resistance

GMR ratio = (R_antiparallel - R_parallel) / R_parallel   — typically 10-200%

Od fizyki do petabajtów

Dysk mechaniczny zapisuje bity jako małe obszary magnetyzacji na obracającym się płytce. Odczytywanie tych obszarów oznacza wykrycie bardzo małego, bardzo lokalnego pola magnetycznego podczas przelatywania głowicy nad każdym bitem — a GMR (Pierwsze wyrenderowanie treści (GMR)) czujniki są doskonale delikatne dla exact tego. IBM wysłała pierwszą głowicę odczytową z wykorzystaniem GMR w 1997 roku, mniej niż dziesięciokrotnie po odkryciu efektu, a poprawiona czucie pozwoliło inżynierom na drukowanie magnetycznych bitów znacznie mniejszych, jednocześnie nadal odczytując je wiarygodnie. To prowadziło do około tysiącokrotnego zwiększenia gęstości przechowywania danych w ciągu dziesięciolecia — jedna z najświeższych przejść od odkrycia podstawowej fizyki w laboratorium materiałów skoncentrowanych do technologii, która stała się niezwykle popularną w większości komputerów na świecie.

Po GMR: tunnelling i torcja spinozwalna

Następcą bezpośrednim GMR jest przepływność magnetoresystansowa (TMR), która zastępuje tarczę metalową cienkim izolującym przeszkodzie (np. magnesianową óxidem) przez którą elektrony przechodzą poprzez tunnelling kwantowy zamiast transport rozproszonego; prawdopodobieństwo tunnellingu jest jeszcze bardziej zależne od spinu, co daje stosunki TMR przekraczające 200%. Jakość tarczy magnetycznej opartych na tunnellingu teraz stanowi standardową technologię głowicy do odczytu i element przechowywania w MRAM (magnetoresystanska pamięć RAM). Relatywnie nowy i powiązany z tym efekt, torcja spinozwalna, odwrotnie przeprowadza fizykę: strumień elektronów polarizowany spinowo może wykonywać wystarczającego siły torcowej, aby obrócić orientację nanomagnetu, co jest sposobem, w jaki współczesna MRAM zapisuje bit — używając spinu do przechowywania informacji, a nie tylko do odczytu.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Spintronics GMR Effect Simulator i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.