Spintronika

Spinli elektronika yoki spintronika  — zamonaviy fizikaning yetarlicha yosh sohasi boʻlib, kelajakda juda katta amaliy ahamiyatga ega boʻlishi kutilmoq-da. Uning anʼanaviy elektronikadan asosiy farqi shundaki, odatiy elektr tokida zaryadlangan zarralar harakatlanadi. Spinli elektronikada esa faqatgina elektronlarning spinlari harakatlanadi.

Spin (xususiy harakat miqdori momenti) — elektronning ichki xarakteristikasi boʻlib, kvant xususiyatiga ega. Spin qiymati elektronning harakatiga bogʻliq emas. Elektron spini quyidagi ikki qiymatlardan faqat bittasini qabul qilishi mumkin: „spin-yuqoriga“ (modda magnitlanganlik yoʻnalishi bilan spin yoʻnalishi mos kelganda) yoki „spin-pastga“ (magnitlanganlik hamda spin yoʻnalishlari qarama-qarshi boʻlganda).

Elektronning „aylanishi“ hamda uning yuqoriga yoki pastga orientatsiyalanishi kodlashda ishlatiladi. Yaʼni spini yuqoriga yoʻnalgan elektronni mantiqiy „1“, spini pastga yoʻnalgan elektronni mantiqiy „0“ deb qabul qilishga kelishilgan.

Elektron spinlari: „yuqoriga“ va „pastga“

Oxirgi oʻn-oʻn besh yillar ichida kremniydan ishlangan protsessorlar oʻzlarining mumkin boʻlgan eng yuqori chegaralariga yetib keldilar. Bundan ortigʻiga ularning fizik imkoniyatlari dosh bermaydi (oʻta yuqori chastotada juda qattiq qizib ketish yuz berishi mumkin). Shu sababli olimlar va tadqiqotchilar yangi avlod qurilmalarini yaratishga harakat qilmoqdalar. Ushbu yangi avlod qurilmalari kamroq energiya isteʼmol qilishi hamda qizib ketmasligi kerak.

Spintronik qurilmalarda esa spin aylanishi amalda hech qanday energiya talab qilmaydi, operatsiyalar oraligʻida esa qurilma taʼminot manbaidan uzib qoʻyilishi mumkin. Natijada esa, deyarli issiqlik ajralib chiqmaydi.

Spintronikaning vujudga kelishi va ish prinsipi

Spintronika oʻtgan asrning 80-yillarida, qattiq jismli elektron qurilmalarda elektronlar koʻchishining spinga bogʻlangan xususiyatlarini oʻrganish paytida yuzaga kelgan. Bunday tadqiqotlar sirasiga Jonson va Silbining 1985-yilda, ferromagnit metalldan normal metallga elektronlarni injeksiyalash ustida oʻtkazgan tajribalari, Albert Fert hamda Piter Gryunberg tomonidan gigant magnit qarshiligining kashf qilinishi (1988) kabilarni aytish mumkin .

Shundan soʻng ferromagnetik, oʻta oʻtkazuvchan moddalarda magnit tunnel oʻtishlarini oʻrganish boʻyicha tadqiqotlar olib borildi. Yarimoʻtkazgich moddalardan spintronikada foydalanish 1990-yilda Datt hamda Das tomonidan spinli maydoniy tranzistorlar yaratish haqidagi gipotezasidan soʻng boshlandi.

IBM mutaxassislarining fikricha, elektronlar oʻz spinlarini juda tez — 100 pikosekund ($10^{-10}$ s) — ichida oʻzgartiradi. Bunday qisqa vaqt ichidagi oʻzgarishni mikrosxemalar qayd qilishga ulgurmaydi. ­ Shunga qaramay, tadqiqotchilar spin vaqtini 30 marta — yaʼni 1 nanosekundgacha oshirib, elektronlarni sinxronizatsiyalash usulini ishlab chiqishdi. 1 nanosekund yetarlicha katta vaqt boʻlib, 1 GHz chastotada ishlovchi mikroprotsessor sikliga teng. ­ ­Shundan soʻng yana bir qiziq fakt maʼlum boʻldi. Yarimoʻtkazgichlarda elektronlarning aylanishi vaqtida ularning spinlari bir necha oʻn mikrometrga siljir ekan. Bu hodisani vals tushayotgan juftlikka oʻxshatish mumkin (2-rasm). ­ Spini $1/2$ ga teng boʻlgan, $m$ massali, $q$ zaryadga ega boʻlgan zarraning magnit momenti $\mu$ quyidagiga teng boʻladi:

$\mu ={\frac {g_{s}q}{2m}}\mathbf {S}$

bu yerda $\mathbf {S}$ — elektronning spin momenti, $g_{s}$ esa, oʻlchamsiz kattalik boʻlib, g-faktor deb ataladi.

Elektronlar spininig „vals“i

Magnit-tunnel tranzistor quyidagi qismlardan tashkil topgan boʻladi:

• emitter(FM1): spin-polyarizatsiyalangan elektronlarni bazaga injeksiyalaydi
• baza(FM2): Elektronlar spinlarining yoʻnalishiga qarab bazada joylashadi. Bazani spin-filtr deyish ham mumkin
• Kollektor(GaAs) — baza-kollektor chegarasida Shottki to'sig'i vujudga keladi. Natijada kollektorda faqatgina Shottki toʻsigʻini yengib oʻtishga energiyasi yetarli boʻlgan elektronlargina toʻplanadi.

Ushbu tranzistorning magnit toki quyidagiga teng boʻladi:

$I={\frac {I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}}$

Oʻtkazish koeffitsiyenti esa:

$\beta ={\frac {I_{C}}{I_{E}}}$

Yuqoridagi ifodadan koʻrinib turibdiki, oʻtkazish koeffitsiyenti emitterdagi elektronlarning qancha qismi kollektorga yetib borganligi bilan aniqlanadi.

Spintronika elementlarining amaliyotda qoʻllanishi

Spintronika elementlarini quyidagi sohalarda ishlatish mumkin:

• Elektr energiyasini doimiy magnit maydonga va aksincha orqaga aylantiradigan kimyoviy reaksiyalarsiz qattiq holatdagi akkumulyator (yaʼni doimiy magnitni tok bilan magnitlangandek va uni orqaga qaytarib magnetizatsiya qiladigandek, harakatlanuvchi qismlarsiz tok beradi — ilgari hatto nazariy jihatdan ham imkonsiz deb hisoblangan; ammo bu yerda nazariya bilan hech qanday qarama-qarshilik mavjud emas, chunki batareyadagi tokning harakatlanuvchi qismlari spin-polyarizatsiyalangan tokning elementar tashuvchilari hisoblanadi).
• Elektron komponentlar:
  • STT-MRAM (Spin Torque Transfer MRAM) tipli kompyuter xotirasi;
  • „ferromagnetik (Co$_{84}$Fe$_{16}$) — kremniy — ferromagnetik (Ni$_{80}$Fe$_{20}$) − aralashmali kremniy“ koʻrinishidagi qalin strukturaga ega boʻlgan spinli tranzistorlar. Birinchi ferromagnitli qatlamdan oʻtgandan soʻng tok spin-polyarizatsiyaga ega boʻladi, ushbu polyarizatsiya (qutblanish) kremniyli qatlamdan oʻtish vaqtida qisman saqlanib qoladi (2007-yilda 350 $\mu$m qalinlikdagi kremniy qatlamdan oʻtganda elektronlarning 37 % ida spin polyarizatsiya saqlanib qolgan).Bu esa chiqishda spin tokining qiymatini ikki qavatli ferromagnit qatlamining magnit maydoni yordamida oʻzgartirish imkonini beradi (gigant magnit qarshiligi<ref>);
  • Zamonaviy CMOS-sxemalarga nisbatan bir necha barobar tezroq (signal ushlanib qolish vaqti 1 ns dan kamroq), deyarli qizimaydigan (issiqlik ajralishi $10^{-17}$J tartibida) va ionizatsiyalovchi nurlanish taʼsiriga chidamli boʻlgan mantiqiy sxemalar.

Yana qarang

• Elektr dipol spin rezonansi
• Rashba effekti
• Magnonika
• Jozefson effekti