Физические основы информационных технологий. Глава 6. Элементы спинтроники

1. Физические основы информационных технологий

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ

2. Глава 6. Элементы спинтроники

ГЛАВА 6. ЭЛЕМЕНТЫ СПИНТРОНИКИ
6.1. Введение в спинтронику
6.2. Квантовый компьютер
6.3. Спиновый полевой транзистор SFET
6.4. Спиновая память

3. 6.1. Введение в спинтронику

6.1. ВВЕДЕНИЕ В СПИНТРОНИКУ
Спинтроника – это наука, занимающаяся изучением
и практическими приложениями спина электрона.
К
современным
наноустройствам
относятся
считывающие головки жестких дисков компьютера
или сенсоры магнитного поля. Подобные устройства
были бы невозможны без развития спинтроники –
молодой науки, занимающейся изучением и
практическими приложениями спина электрона.
Электрон в атоме обладает собственным магнитным
моментом – спином (от англ. spin – вращение). Из-за
этого он ведет себя как стрелка компаса,
вращающаяся вокруг своей оси. Спины электронов
могут быть ориентированы в направлениях, которые
обычно называются «спин-вверх» и «спин-вниз»

4.

Если поместить электроны в магнитное поле, то их
спины выстроятся вдоль направления поля. При этом
они будут прецессировать (определенным образом
вращаться) вокруг силовых линий. Если выключить
поле, прецессия спина прекращается и его ориентация
фиксируется.
Следовательно,
используя
эффект
прецессии,
можно
менять
спиновое
состояние
электрона и тем самым изменять бит информации,
переносимый электроном, с логического «0» на «1» и
обратно.

5. 6.2. Квантовый компьютер

6.2. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

6.

Для создания квантового компьютера необходимы
следующие условия:
1) достаточное число элементов – кубитов (для каждой
симфонии требуется определенное число музыкантов);
2) элементы квантового компьютера должны быть
связаны между собой;
3) возможность задать начальные условия и менять их в
зависимости от задачи;
4)
возможность
получать
информацию
(уши
слушателей) и проверять ее на правильность.
Пока все эти условия не реализованы полностью. Но
есть некоторые разработки, в которых в качестве
кубитов выступают ядерные либо электронные спины.

7.

Примером
квантового компьютера с электронными
кубитами
являются
сложные
Si/Ge
гетероструктуры, у которых обработка информации
осуществляется
на
электронах
проводимости
отдельных изолированных слоев. Предполагается, что
будут созданы квантовые компьютеры на основе
квантовых точек и квантовых нитей.
Квантовые точки – изолированные нанообъекты,
свойства которых существенно отличаются от свойств
объемного материала тождественного состава.
Квантовые точки – это математическая модель, а не
реальный объект.
Квантовые нити – это наноструктуры, в которых
движение носителей заряда квантовано в двух
направлениях.

8. 6.3. Спиновый полевой транзистор SFET

6.3. СПИНОВЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР SFET
Спиновый полевой транзистор в недалеком будущем
может стать заменой полупроводниковому полевому
транзистору. Схему и принцип его действия
предложили С. Датта и Б. Дас еще в 1990 году.
Спиновый полевой транзистор – это устройство,
содержащее, как и обычный полевой транзистор,
исток, сток и канал, куда подается напряжение с
затвора.
Работа спинового транзистора основывается на эффекте
магниторезистивного туннелирования спинов через
прослойку изолятора, помещенную между слоями
ферромагнитного металла.

9.

Электроны с разными
спинами инжектируются
(«впрыскиваются») из
магнитного истока
(ферромагнетик или
магнитный полупроводник)
к стоку, намагниченному в
том же направлении, что и
исток, через
полупроводниковый канал.
Если к затвору не приложено электрическое
напряжение, то поляризованные электроны доходят до
стока и тем самым замыкают электрическую цепь, а
такое состояние транзистора называют «открытым
ключом».

10. 6.4. Спиновая память

6.4. СПИНОВАЯ ПАМЯТЬ
Самое
перспективное и самое близкое сегодня к
техническому воплощению спиновое устройство –
спиновая память.
Для управления спином используется магнитное поле.
Но спинов очень много. Трудно представить модуль
памяти, содержащий миллионы наномагнитов,
которые к тому же еще и не взаимодействуют друг с
другом. Альтернативное решение проблемы было
подсказано много лет назад А. Эйнштейном, который
предположил, что для быстро движущегося электрона
электрическое поле будет выглядеть как магнитное.
Современные физики подтвердили эту гипотезу, взяв
два различных полупроводника и образовав из них
единую структуру путем напыления в вакууме.

11.

Направление спина необязательно принимает два
фиксированных
положения,
соответствующих
логическим «0» и «1» в классических бинарных
компьютерах, а может иметь и промежуточные фазы.
Это означает, что спинтроника позволяет перейти от
битов к так называемым фитам, фазовым числам,
способным принимать больше значений.
Главной проблемой спиновой электроники является
преобразование информации, представленной в
форме
намагниченности,
в
электрическое
напряжение. В настоящее время эта задача решается
с
использованием
явления
гигантского
магнитосопротивления (ГМС).