Образ мира в ХХI веке определен развитием технологий: роботы-курьеры, электромобили, компьютеры, автоматизированные производства, интернет и нейронные сети. Все это работает с помощью электроники — технологии, которая использует электрические сигналы для управления различными устройствами. И кажется, что альтернатив электронике нет. Но что, если мы скажем, что электроника — лишь этап в развитии технической мысли? Об этом ПостНаука поговорила с доктором физико-математических наук, профессором Романом Моргуновым.
Альтернативы — есть
Как известно, электроника основана на способности электронов переносить заряд, благодаря чему генерируется электрический ток. В свою очередь, в относительно новой области техники — спинтронике — для генерации токов используется не свойство электронов переносить заряд, а наличие спина, или магнитного момента. Долгое время считалось, что эта особенность проявляет себя очень слабо и экспериментально использовать ее трудно.
В 1980-х годах выяснилось, что при специальной организации материалов перенос спинов можно обострить и даже использовать. Ученые Альберт Ферт и Питер Грюнберг создали металлические гетероструктуры, в которых чередовали слои ферромагнетика и немагнитных материалов. Они обнаружили, что в таких структурах может формироваться сильное магнитосопротивление, вызванное магнитным полем [1]. Это открытие стало чем-то принципиально новым: обычно металлы в магнитном поле меняют свое сопротивление лишь на доли процента. Это свойство никак нельзя было использовать в технических областях. В свою очередь, в работах Ферта и Грюнберга сопротивление менялось на десятки и даже сотни процентов. Такой эффект получил название «гигантское магнитосопротивление», и за его открытие Ферт и Грюнберг получили Нобелевскую премию по физике в 2007 году.
Гигантское магнитосопротивление, или GMR, возникает за счет того, что между двумя магнитными слоями расположена немагнитная прослойка, через которую переносятся спин-поляризованные электроны. От того, каким образом ориентирован спин, зависит, каким будет уровень сопротивления. Кроме того, спин-поляризованный ток можно «организовать» так, чтобы кулоновский, или зарядовый, ток был равен нулю. В этом случае нулю будут равны и джоулевы потери — что в идеальных условиях приводит к 100% КПД. Это решает основную проблему современной электроники.
Таким образом и началась история спинтроники — раздела техники, в котором спин электрона используется для различных процессов — от записи информации до переключения устройств. Уже сегодня производятся приборы, созданные с помощью спинтроники. К примеру, в каждом гаджете — в компьютере, смартфоне — присутствуют память и устройство считывания информации из памяти. Если раньше для считывания использовались индуктивные устройства , то теперь инженеры применяют спинтронику.
В дальнейшем началась разработка и магнитной памяти, когда возник и первый кризис. Оказалось, что само управление намагниченностью каждой гетероструктуры требует чрезмерной энергии. Кроме того, соседство металлических гетероструктур повлияло на их работу: магнитное поле одной меняло магнитное поле соседа. Но в 1996 году ученый Джон Слончевски предположил, что управлять намагниченностью можно не с помощью магнитного поля, а с помощью спин-поляризованных электронов [2]. Этот эффект получил название spin-transfer torque, или STT. Новое открытие продвинуло спинтронику еще на шаг вперед.
Роман Моргунов: «Я бы назвал спинтронику дочерью электроники, а не сестрой. Сестра подразумевает эквивалентность и одинаковое устройство. А вот дети обычно бывают совершеннее своих родителей. У них сложнее устроены мозги, они могут больше интересного придумывать, чем родители. Словом, спинтроника — это более сложное направление в технике».
Новые идеи — необходимость
За один год компания Google, выполняя команды пользователей, тратит энергии столько же, сколько весь город Сан-Франциско на свет, тепло, движение транспорта и другие процессы. И количество логических операций в Сети только растет: прогнозируется, что к 2040-50-м годам энергия на обработку информации во всем мире будет сравнима с затратами энергии на все прочие виды деятельности [3]. Согласно еще одним оценкам, вычислительные процессы могут потреблять до 10 раз больше энергии, чем ожидаемый мировой запас энергии к 2040 году, если не произойдут радикальные изменения в технологии и энергоэффективности [4]. Если рост объема операций остановить невозможно, возникает потребность снижать объем энергии, затрачиваемый на одну операцию. Кроме того, мир ориентируется на постоянное ускорение и улучшение процессов: каждое новое поколение компьютеров, смартфонов и других устройств работает эффективнее предыдущего. Эти достижения обеспечиваются прорывами в прикладной науке.
В этом контексте развивается и спинтроника. К примеру, в этой области постепенно происходит отказ от ферромагнетиков. Оказалось, что вместо них можно применять антиферромагнетики, из-за чего возникает выигрыш в скорости и энергии за счет более быстрой «перестройки» спиновой структуры при протекании спин-поляризованного тока. Так возникла еще одна новая область — антиферромагнитная спинтроника.
Очередной пример новых достижений в спинтронике связан с материалом для «прослойки» между анти- и ферромагнетиками. При создании многих гетероструктур как немагнитный материал используется платина [5]. Задача такого материала — обеспечивать перенос электронов с сохранением спина. Также платина в контакте с ферромагнетиком сама становится ферромагнетиком. Это означает, что прослойка между ферромагнитными слоями становится функциональной, ее можно «переключать», усиливая взаимодействие между слоями. Еще более перспективным материалом для этих задач может стать палладий — более редкий и по этой причине менее изученный металл. Потенциально он обладает еще более разнообразными и уникальными свойствами, и сегодня ученые изучают его как альтернативу платине. Исследователи предполагают, что способность к упорядочению спинов при контакте с ферромагнетиком (proximity effect) и способность сохранять ориентацию спинов электронов проводимости на длинных дистанциях у палладия может быть выше, чем у платины.
Таким образом, можно сказать, что спинтроника — это отчасти экспериментальная, многообразная область с самыми разными направлениями для исследований. Но необходимая. Пока это направление создает первые «аэропланы», но в будущем построит современные, быстрые и массовые «самолеты». Исследовательские работы в области спинтроники сегодня ведутся в компании «Микрон» в Зеленограде, в Институте проблем химической физики и медицинской химии в Черноголовке, в Дальневосточном федеральном университете, в Crocus Nano Electronics, МИРЭА, МФТИ, МГУ, Сколково и в других организациях.
Это Tube
В городе Нанси, во Франции, действует Университет Лотарингии, совмещенный с промышленным предприятием, изготавливающим приборы спинтроники. Внутри него построен уникальный прибор под названием Tube. Он представляет собой трубу около 80 м в длину, которая содержит различные микроприборы в вакуумной среде: напылители образов, анализаторы и другие. Tube разделен в пропорции: треть принадлежит университету, а две трети — производству. Дипломным проектом каждого студента является изготовление какого-либо прибора спинтроники на мощностях Tube.
Особенность «трубы» состоит в том, что вакуум внутри нее и сосредоточение всех необходимых устройств позволяют работать с образцами и дорабатывать их, не портя материалы. Такие условия необходимы на производстве, но обычно недостижимы в лаборатории из-за высокой стоимости подобных конструкций. Поэтому в обычных условиях любая ошибка ученых приводит к выбору образцов и повторению работы заново. В свою очередь, в Университете Лотарингии у студентов есть уникальная возможность поработать на настоящем производстве.
Реальное применение
Серийные изделия на основе спинтроники сегодня производятся по всему миру. Работа с памятью в России ведется в компании Crocus Nano Electronics: здесь технологии на основе спинтроники отвечают не только за считывание информации, но и за хранение и запись. Спинтроника уже применяется и в биомедицине — в области клеточной инженерии, в частности, для создания платформ биомедицинской диагностики и контроля, таких как магниторезистивные (MR) биомолекулярные и биомедицинские платформы [6]. Эти устройства могут применяться для проведения биологических исследований на уровне отдельных молекул, а также для создания диагностических чипов и управления биомедицинскими протезами.
Электронный компас — еще одно известное направление технической мысли в спинтронике. Такой компас помогает определить координаты объекта в пространстве, его угол наклона и поворот. Для решения подобной задачи необходимо устройство, очень чувствительное к магнитному полю Земли. И в отличие от других технологий, спинтронные устройства могут быть особенно чувствительными к магнитным полям и при этом потреблять мало энергии.
Магниторезистивные датчики на основе спинтроники сегодня продаются и в обычных интернет-магазинах. Обычным пользователям они могут пригодиться для разработки DIY-проектов — это и обычные компасы, и сложные робототехнические системы с особыми функциями. Датчики могут помочь в построении карты помещений, исследовании окружающей среды, моторном управлении и не только.
Таким образом, спинтроника давно вышла из разряда строгой академической науки с отложенным прикладным эффектом. Сегодня «дочь» электроники используется в разных областях и в ближайшем будущем обещает показать новые результаты — как в физике процессов, так и в применимости новых материалов и их гетероструктур для новых инженерных проектов. Остается только ждать очередных прорывов или присоединяться к работе вместе с другими исследователями, учеными и инженерами.
Список источников
1. Ферт, А. (2008). Происхождение, развитие и перспективы спинтроники. Успехи физических наук, , Т. 178, № 12, 1336–1348
2. Slonczewski, J. (1996). Current-driven excitation of magnetic multilayers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159(1–2), L1–L7
3. Rebooting the IT Revolution: A Call to Action / Semiconductor Industry Association, 2015
4. Andrews, Justin L. et al. (2019). Building Brain-Inspired Logic Circuits from Dynamically Switchable Transition-Metal Oxides. Trends in Chemistry, Volume 1, Issue 8, 711–726
5. Morgunov, R. B., Bezverkhnii, A. I., Hehn, M., Bello, J. L., Fache, T., & Mangin, S. (2021). Dzyaloshinskii-Moriya interaction probed by magnetization reversal in bilayer Pt/Co/Ir/Co/Pt synthetic ferrimagnets. Physical Review. B./Physical Review. B, 104(13).
6. Freitas, P. et al. (2012). Spintronic platforms for biomedical applications. Lab on a chip, vol. 12,3: 546-57.
ИСТОЧНИК: Постнаука https://postnauka.org/longreads/157461