Viena iš perspektyviausių kvantinės elektronikos sričių yra spintronika arba sukinių elektronika. Šia kryptimi jau ilgą laiką domisi nemažai pasaulio fizikų, tačiau tik dabar padarytas vienas iš svarbiausių atradimų, atveriančių kelią sukinių elektronikai nuo laboratorinių bandymų iki realios elektroninės įrangos.
Viena iš perspektyviausių kvantinės elektronikos sričių yra spintronika arba sukinių elektronika. Šia kryptimi jau ilgą laiką domisi nemažai pasaulio fizikų, tačiau tik dabar padarytas vienas iš svarbiausių atradimų, atveriančių kelią sukinių elektronikai nuo laboratorinių bandymų iki realios elektroninės įrangos.
Tiesa, tai dar nereiškia, jog artimiausiu laiku sulauksime elektronikos revoliucijos, tačiau neabejotina, jog tyrimai spintronikoje suintensyvės. Prieš pradedant pasakoti apie patį atradimą, turbūt reiktų trumpai pristatyti pačią sukinių elektronikos idėją – tai pakankami nauja ir su fizika mažiau susidūrusiems skaitytojams gali būti sunkiai suvokiama sritis.
Kai kalbama apie įprastinę elektroniką, turbūt daugelis žino, jog joje visus procesus valdo tekanti elektronų (arba kitų krūvio nešėjų) srovė. Žinoma, labai svarbi yra ir potencialų skirtumas arba tiesiog įtampa, kuri tarp elektroninės grandinės sukuria kryptingą elektringųjų dalelių judėjimą arba tiesiog srovę. Vadinasi, klasikinėje elektronikoje pagrindinis vaidmuo atitenka elektrono krūviui – jo dėka sukuriami potencialų skirtumai, atsiranda elektromagnetiniai laukai ir galiausiai, prie tam tikrų sąlygų sukuriama kryptinga srovė.
Nors elektrono krūvio išradingas panaudojimas leido sukurti visą dabartinę elektroniką, jis turi ir tam tikrų apribojimų, labai susijusių su kita elektrono savybe – mase. Nors kiek išmanantys elektros fiziką, žino, jog statiniai arba nejudantys krūviai elektronikoje panaudojami retai ir tik specifiniais atvejais. Plačiosios elektronikos savybės, kurias nulemia tokie puslaidininkiniai elementai kaip diodai, tranzistoriai ar tiristoriai, išnaudojamos tik dėka judančio krūvio, sukuriančio kryptingą srovę. Na, o kadangi srovę sukuria judantis elektronas, tuo pačiu vyksta ir jo masės judėjimas.
Norint išjudinti masę (kad ir tokią nedidelę, kaip elektrono), reikia panaudoti papildomą energiją, be to atsiranda trinties ir kitų susijusių fizikinių procesų sukelti nuostoliai. Visa tai lemia labai paprastą ir visiems žinomą efektą – įjungus srovę elektronikos įtaisai kaista. Šis kaitimas sukelia labai didelį galvos skausmą integrinių grandynų projektuotojams, kurių tikslas į galimai mažiausią plotą sutalpinti kaip galima daugiau tranzistorių ir kitų elektroninių komponentų.
Ir štai šioje vietoje jau galima prisiminti dar vieną savybę, kuria pasižymi visiems puikiai žinomas elektronas – be masės ir krūvio jis dar apibūdinamas sukiniu. Kitaip tariant, atomo orbitoje esantis elektronas sukasi apie savo ašį ir turi savąjį kampinį momentą – sukinį (angl. spin). Vadinasi, elektronas gali turėti dvi sukinio vertes – suktis į vieną arba į kitą pusę. Pasirinkimų gal ir nedaug, tačiau visa skaitmeninė elektronika veikia dviejų loginių būsenų reikšmėmis – loginio „0“ ir loginio „1“. Vadinasi ir sukinio pozicijų pilnai užtektų informacijos kodavimui – belieka išmokti suvaldyti ir perdavinėti elektronų sukinius.
Elektrono sukinio orientaciją galima pakeisti magnetiniu lauku
Tiesa, kuo gi sukinių perdavimas būtų pranašesnis už krūvio judėjimą? Jeigu elektroninių komponentų valdymui nebereiktų sukurti krūvio judėjimo, o pakaktų tik perduodamos informacijos apie sukinio padėtį, iš karto pasinaikintų judančio krūvio masės sukeliami nuostoliai. Tad logiška, kodėl mokslininkai tiki, kad tinkamai išnaudojus elektrono sukinio savybes ir jas suderinus su krūvininkų judėjimo elektronika, įmanoma pagaminti pigesnius, sparčiau veikiančius bei mažiau energijos suvartojančius informacijos saugojimo ir apdorojimo įrenginius – tarkim žymiai našesnius procesorius.
O kur dar kita labai imponuojanti sukinio savybė – net ir atjungus kryptingą elektros srovę formuojančio maitinimo šaltinio įtampą, sukinių orientacija nepasikeičia – vadinasi tokiu pagrindu pagaminti atminties grandynai išsaugotų informaciją panašiai kaip ir dabartiniai kompiuterių kietieji diskai po maitinimo išjungimo.
Elektrono sukinio elektronika apima sukinio ir krūvio sukuriamų savybių bendrą panaudojimą
Vis dėlto, kalbėti apie sukinių elektronikos pagrindu veikiančius elementus bei jų galimybes kol kas dar labai anksti. Fizikai kol kas tyrinėja tik pačius sukinių elektronikos pradmenis – kaip efektyviai orientuoti norimų elektronų sukinius reikiama kryptimi, kaip filtruoti skirtingų sukinių elektronus, kaip juos perduoti į skirtingo tipo medžiagas neprarandant informacijos ir t. t.
Kol kas viena iš pagrindinių sukinių elektronikos vystymosi problemų buvo komplikuotas elektrono sukinio orientacijos išlaikymas pereinant skirtingų medžiagų ribą. Pirmieji tyrimai su elektronų sukiniu parodė, jog sprintronikai tinka tik metalai bei puslaidininkiai iš galio arsenido, nes pereidami per feromagnetiko-siličio puslaidininkio ribą elektronai prarasdavo savo sukinio orientaciją.
Šią problemą buvo būtina išspręsti, nes silicis kaip toks yra dažniausiai naudojama medžiaga puslaidininkinių įtaisų gamyboje. Ir tai ne dėl kažkokių madų, o tiesiog todėl, kad silicio pagrindu kuriami komponentai yra paprasčiau gaminami ir tuo pačiu žymiai pigesni už kitokių puslaidininkinių medžiagų komponentus.
Atsisakyti sandūros su feromagnetiku irgi neįmanoma – ši medžiaga naudojama kaip sukinių filtras. Silicyje į viršų ir į apačią (taip sutartinai vadinami skirtinga spinų orientacija) orientuotų elektronų skaičius paprastai yra lygus. Na, o pagrindinis spintronikos tikslas šiai dienai yra išmokti panaudoti sroves, kuriose didžioji elektronų dalis yra orientuota, arba poliarizuota, ta pačia kryptimi. Vadinasi reikia sugebėti išfiltruoti nereikalingos orientacijos sukinius – tam ir panaudojami feromagnetiniai sukinių filtrai. Pasirodo, per tokį filtrą sugeba praeiti tik tie elektronai, kurių sukinio orientacija sutampa su feromagnetiko kuriamo lauko kryptimi.
Taigi, toks principas leido pagalvoti apie magnetiniu lauku valdomą tranzistorių. Vienintelė bėda – feromagnetiko ir silicio sandūra panaikindavo pradinę sukinio orientaciją. Šią problemą laboratorinėmis sąlygomis pirmiesiems pavyko išspręsti 2007 metais. Tuomet mokslininkų komanda, kurią sudarė Delavaro universiteto elektronikos ir kompiuterių inžinerijos profesorius Jeinas Apelbaumas (Ian Appelbaum), to paties universiteto doktorantas Bikvinas Huangas (Biqin Huang) bei Kembridžo nanotechnologijų centro atstovas Duvis Monsma (Douwe Monsma), pademonstravo kaip elektrono sukinį įmanoma elektriškai injektuoti į silicį, jį čia aptikti bei valdyti.
Mokslininkų komandai pavyko į 10 mikrometrų storio silicio plokštelę injektuoti elektronus su nepakeistu sukiniu iš 5 nanometrų storio feromagnetiko dangos, dengiančios silicio plokštelės paviršių. Sukinių orientaciją mokslininkams pavyko išmatuoti su magnetiniu jutikliu, esančiu kitoje plokštelės pusėje. Nežiūrint to, mokslininkams pasitelkus magnetinį lauką pavyko valdyti injektuotų elektronų sukinio orientaciją. Apie tai tyrėjai parašė mokslinį straipsnį žurnale „Nature“.
Nors pasiekimas buvo tikrai svarbus ir nuskambėjo fizikų bendruomenėje, tačiau eksperimentas pavyko tik sukuriant laboratorines sąlygas – naudojant ypatingai gryną silicį (elektronikoje toks sutinkamas labai retai), o eksperimento metu plokštelės temperatūra tesiekė 85 K arba 188 laipsnius šalčio pagal Celsijų. Nesunku suvokti, jog tokios sąlygos realioje elektronikoje nepasiekiamos, tad nors atradimas fundamentaliu požiūriu buvo svarbus, praktinėm reikmėm vis dar nepritaikomas.
Ir štai pagaliau priėjome prie naujausio mokslininkų pasiekimo, kuris jau gali būti vadinamas revoliuciniu sukinių elektronikoje.
Daug žadančius tyrimo rezultatus pristatė Twente universiteto Nanotechnologijų instituto (MESA+) mokslininkai. Mokslininkams pavyko du labai svarbūs dalykai – sukurti sukinių pozicijos nekeičiančią sandūrą tarp feromagnetiko ir įprasto, elektronikoje naudojamo silicio (net ir su legiravimo priemaišomis, kurios nulemia ar silicis bus n ar p tipo) ir elektronų injekciją į silicio plokštelę pasiekti įprastinėje kambario temperatūroje. Tyrimo išvadose sakoma, jog po injekcijos dauguma elektronų išlaikė savo pradinę sukinio orientaciją.
Bendra instituto tyrimams naudota schema.
Eksperimentiniams tyrimams vykdyti mokslininkai sukūrė trijų sluoksnių grandyną,
leidžiantį injekuoti ir detektuoti orientuotų sukinių srovę.
Mėlyna spalva žymimas feromagnetikas, rožine – oksidas, žalia – silicio pagrindas.
Eksperimento schemoje mokslininkai panaudojo geležies-nikelio lydinio feromagnetiką (paprastai naudojamą kietųjų kompiuterių diskų skaitymo galvutėms gaminti), įprastinio silicio plokštelę ir tarp jų įterpė aliuminio oksido sluoksnį, kurios storis buvo mažesnis už vieną nanometrą (kitaip tariant, sluoksnį sudarė keletas atomų).
Aliuminio oksidas kaip toks yra izoliatorius, tačiau pridėjus pakankamo dydžio įtampą dalis elektronų gali įveikti šį barjerą. Tuo pačiu, aliuminio oksidas lengviau praleidžia tik vienokios spino orientacijos elektronus – tad tekant elektronų srautui tai leidžia išsaugoti pirminę spinų orientaciją.
Mokslininku teigimu, problemos sprendimą nulėmė tinkamai parinktas aliuminio oksido sluoksnio storis ir paties oksido savybės. Mokslininkai sugebėjo išmatuoti ir injektuotų elektronų įsiskverbimo gylį į silicio plokštelę – jie įveikė 230 nm atstumą (naudojant p tipo puslaidininkį, krūvio nešėjai yra skylutės, kurių įsiskverbimas į plokštelę siekė 310 nm). Tai daugiau nei pakankama nanometrinių elektronikos komponentų funkcionavimui.
Tyrimo detales galima perskaityti „Nature“ puslapyje arba instituto pranešime spaudai.
Na, o prie to pačio galite paskaityti apie spintronikos savybes išnaudojantį maitinimo šaltinį.
