Спинтроника как предчувствие

(Март 2013)

О скором и неминуемом, похоже, пришествии этой чудесной технологии говорить начали еще в конце прошлого века. Но годы идут, а спинтронная революция все так же лишь маячит – словно горизонт – где-то там впереди. И лишь в последнее время как-то вдруг особо кучно пошли новости о действительно важных свершениях.

0-5.spintr_3

В течение одного лишь февраля 2013 в инфотехнологических СМИ набрался целый букет весьма примечательных новостных сообщений о достижениях в области спинтроники.

То есть о новой, принципиально иной разновидности электронных устройств, опирающихся в работе не на электрический заряд частиц-переносчиков, а на их спин – внутренне присущее частицам квантовое свойство, освоение которого сулит подлинную революцию в компьютерных технологиях.

Вот как, навскидку, выглядят лишь некоторые из последних известий спинтроники.

0German-MainzSpintronicschip

Два германских университета, Майнца и Кайзерлаутерна, успешно завершивших исследования по созданию чипа спинтронной памяти на основе так называемых компаундов Гейслера, получили от государства солидный грант в размере 3,8 миллионов евро – для скорейшего доведения наработанных технологий до стадии массового промышленного производства.

Ученые британского университета Кембридж сумели объединить в своей разработке два наиболее передовых направления исследований в области электроники – 3D-чипы и спинтронику. Благодаря чему им удалось создать и продемонстрировать прототип «первого в мире спинтронного 3D-процессора» (кавычки тут необходимы, т. к. на самом деле это далеко еще не полноценный процессор, однако творческие успехи исследователей сомнению не подлежат).

Специалистам Геттингенского университета, опять-таки в Германии, удалось придумать и синтезировать такую молекулу искусственного органического вещества, которая способна выполнять роль стабильной ячейки спинтронной памяти. При данном уровне миниатюризации спинтронное запоминающее устройство на основе недорогих органических материалов позволит хранить примерно петабайт данных (тысячу терабайт или миллион гигабайт) на чипе размером около дюйма.

Если в этот же пакет новостей добавить еще несколько совсем недавних и очень впечатляющих успехов других исследовательских центров США, Японии и прочих стран, уже вплотную приблизивших спинтронные технологии к фазе промышленного производства, то становится очевидно: и вправду, грядут большие перемены.

Ну а чтобы более отчетливо представлять, какого рода инфотехнологии приходят на смену обычной полупроводниковой электронике, имеет смысл чуть подробнее рассмотреть особенности спинтроники. Почему эта технология столь привлекательна, каковы труднейшие проблемы в ее освоении и как, наконец, удается эти проблемы обходить-преодолевать…

Естественная альтернатива

Среди специалистов нередко можно услышать мнение, согласно которому очевидные задержки с приходом давно ожидаемой спинтроники в нашу жизнь вызваны, в первую очередь, на редкость стабильному и успешному прогрессу в области традиционных полупроводниковых технологий. То есть время новой техники не настало лишь потому, что и старая еще хоть куда.

Эмпирическим законом Мура, как известно, установлено никак не доказуемое, но исправно работающее вот уже свыше полувека правило. Число элементов типовой микросхемы – или иначе производительность чипов – стараниями ученых и инженеров исправно продолжает удваиваться через каждые полтора, примерно, года.

Почему так происходит, неизвестно. Но всем понятно, что бесконечно это продолжаться не может. Ибо нынешняя конструкция микросхем быстро движется к своим физическим пределам. Или иначе, все известные проблемы технологии – с литографией, материалами, охлаждением – дружно приближаются к такому состоянию, когда их преодоление не то чтобы абсолютно невозможно, но оказывается слишком уж дорогим и неэффективным.

Короче говоря, с одной стороны, явно требуется нечто иное. А с другой стороны – давно уже есть понимание, как именно это иное, почти наверняка, будет выглядеть.

Наличие у частиц материи особого свойства под названием спин – обычно иллюстрируемого аналогиями с осью вращения волчка или двумя полюсами магнитной стрелки – было установлено еще на заре рождения квантовой механики. А поскольку квантовый спин электрона принимает лишь два возможных значения, условно именуемых «спин-вверх» и «спин-вниз», в этой конструкции довольно давно был замечен и весьма многообещающий инфотехнологический потенциал. По сути, в природе имеется уже готовый переносчик двоичной информации, кодирующий в направлении спина либо «1», либо «0».

И самое замечательное, что речь идет о том же самом электроне, который изначально фигурирует в основах и сердцевине микроэлектронной революции. Практически все полупроводниковые микросхемы построены на транзисторах, главную роль в работе которых играют перемещения электронов. Точнее, перемещения электрических зарядов, присущих электронам. В то время как спин электрона – открытый почти 90 лет назад – игнорируется в полупроводниковой индустрии по сути дела полностью…

Однако, раз уж все согласны, что закон Мура должен действовать и дальше, то в качестве самой естественной и при этом более прогрессивной альтернативы для обычной микроэлектроники ныне выступает технология под общим названием «spintronics». Имя это чаще всего расшифровывают как SPIN TRansport electrONICS, то есть «электроника на основе переноса спина».

Масса достоинств и преимуществ новой технологии возрастает день ото дня. Среди важнейших – быстрота и экономичность. Ведь спин электрона можно переключать из одного состояния в другое не только намного быстрее, чем время перемещений заряда по схеме, но и делается это с намного меньшими затратами энергии. Плюс к этому, при перебросах спина не меняется кинетическая энергия носителя, значит, почти не происходит тепловыделения.

В совокупности все эти особенности технологии позволяют создавать на базе спина и спиновых токов (потоков электронных спинов единой полярности) существенно новые транзисторы, ячейки логики и памяти, которые заменят собой обычные транзисторы в интегральных микросхемах. А это, в свою очередь, позволит и далее продолжаться тенденции к миниатюризации электроники.

Попутно с развитием этой технологии выясняется, что спинтроника также открывает пути и к созданию совершенно новых типов устройств, Таких, к примеру, как светоизлучающие диоды (LED), порождающие свет с левой или правой круговой поляризацией, что очень полезно для приложений в области защиты, кодирования и уплотнения оптоэлектронных коммуникаций.

Заглядывая же в будущее чуть-чуть подальше, энтузиасты уверены, что уже наметилось и появление таких спинтронных устройств, которые можно использовать как кубиты, то есть базовые элементы конструкции в квантовых компьютерах.

Но для того, чтобы спинтронная революция в полупроводниковой индустрии произошла, исследователи вот уже второй десяток лет заняты поисками оптимальных компонентов технологии. Обычно тут принято выделять три главных задачи: (1) способы для инжекции (то есть «впрыска») спиновых состояний в схему; (2) манипуляции со спином внутри схемы; и (3) детектирование спиновых состояний электронов после обработки.

Все эти задачи крайне желательно решить в условиях полупроводниковой среды, поскольку данные материалы, скорее всего, в обозримом будущем и далее будут оставаться главной физической базой для электроники.

Манипуляции спином электронов считаются делом относительно простым и бесхитростным (коль скоро спин – словно стрелка компаса – очень чутко реагирует на переключение магнитного поля). Но вот создание надежных инжекторов и детекторов для хрупких спинов в условиях практичных приложений для массового производства – это все еще целый комплекс гигантских проблем.

Полигон и взлетная площадка

Дабы общее положение дел в спинтронике стало яснее, необходимо подчеркнуть, что манипуляции спином электронов – это большой и развитый бизнес уже сегодня. Но только за пределами полупроводниковой индустрии. Фактически, спинтронные устройства на металлической основе сейчас встречаются повсеместно – в жестких дисках почти любого компьютера на планете.

В конце 1988 года было обнаружено, что поток спин-поляризованных электронов в слоеной конструкции покрытия (два тонких слоя ферромагнита, разделенных слоем немагнитного металла), можно ощутимо изменять, перебрасывая на противоположную полярность внешнего магнитного поля. Этот эффект, получивший название GMR, или гигантское магнетосопротивление, позволил создавать намного более чувствительные магнитные головки и, соответственно, уменьшать размеры магнитных доменов, кодирующих двоичные данные на пластинах. Иначе говоря, значительно увеличилась информационная емкость накопителей на жестких магнитных дисках.

Манипулирование спиновыми характеристиками – перенос электронных спинов между двумя металлами – также лежит в основе MRAM, магниторезистивной памяти произвольного доступа. То есть нового типа компьютерных запоминающих устройств, сохраняющих информацию без электропитания.

Физика работы MRAM основана на эффекте, отчасти напоминающем GMR и известном как туннельное магнетосопротивление (TMR). Здесь два слоя ферромагнитного металла разделены тонким слоем изолирующего материала, такого как оксид алюминия или оксид магния.

Если в GMR происходит медленное – за счет классической диффузии – перемещение спин-поляризованных электронов с одного ферромагнитного слоя на другой, то в конструкции TMR имеет место сугубо квантовый туннельный переход через разделяющий слой (классически запрещенной процесс, при котором частица проходит через потенциальный барьер, превышающий ее кинетическую энергию).

Такого рода устройства именуются магнитными туннельными переходами или MTJ (magnetic tunnel junctions). Главная фишка эффекта в том, что туннелирование – а значит, и перенос спина через барьер – может происходить лишь в случае «правильной» ориентации спина частицы.

2.Magnetic_tunneljunction

Хотя эффект спин-зависимого туннелирования впервые был продемонстрирован еще в 1975 году, как и большинство квантовых феноменов трюк работал лишь при очень низких температурах. То, что это возможно и при комнатной температуре, удалось показать лишь к 1995.

Поначалу, правда, выравненные спины частиц в ферромагнитных слоях удавалось переключать с параллельного на антипараллельное состояние лишь для 12-18% электронов, чего для практичных устройств еще далеко недостаточно. Однако уже к концу 1990-х усиленные мозговые штурмы разработчиков и надлежащие финансовые вложения привели к решению задачи: нужное соотношение удалось повысить до 70%.

Более того, к середине 2000-х годов новейшие технологии, обеспечивающие атомной толщины плоские интерфейсы между металлическими и оксидными слоями, позволили достичь значений TMR порядка 400% – благодаря особому эффекту когерентного туннелирования.

Итогом же стало то, что массивы памяти MRAM, основанные на туннельном магнетосопротивлении, уже до конца десятилетия были запущены в производство и продажу. Так что в недалеком будущем, по мере удешевления технологии, MRAM позволит делать такие бытовые компьютеры, которые способны включаться-выключаться мгновенно. Благо состояние системы будет храниться в быстрой и энергонезависимой памяти.

Инжекторы и детекторы

Подробности в предыдущем рассказе о спинтронной памяти понадобились вот по какой причине. Ключевые моменты этой истории – от особенностей технологии до общей траектории ее преображения из демо-образца в продукт массового производства – очень похожи и на путь спинтроники в полупроводниковые чипы.

Важнейшее, пожалуй, отличие в том, что эффект TMR основан на большом количестве электронов, которые имеют нужное состояние спина и сохраняют его при переходах через интерфейсы между ферромагнитными металлами и изолирующими металлическими оксидами.

Ну а для того, чтобы стали возможными полупроводниковые спинтронные устройства, требуется достичь такого же по сути поведения электронов – но только через интерфейсы, сформированные между полупроводником и материалом, выступающим в роли спин-инжектора или спин-детектора.

Поскольку кремний и арсенид галлия – это два наиболее широко используемых в индустрии полупроводника, то главная задача разработчиков – отыскать такие спинполяризованные материалы (вещества, в которых большинство электронных спинов выравнено в заданном направлении), которые можно было бы с ними эффективно комбинировать.

История долгих и трудных поисков материалов подобного рода пока еще далеко не дописана. Конечно, здесь можно было бы рассказать о нескольких разных подходах, с тем или иным успехом применяемых во множестве лабораторий мира для решения этой труднейшей задачи. Но лучше все же, наверное, пока эту тему пропустить.

Потому что к концу первого десятилетия XXI века итог всех изысканий по внедрению спинтроники в индустрию микросхем выглядел примерно так. Несмотря на множество локальных успехов, в целом никто так и не сумел отыскать подходящих (ферромагнитных полупроводниковых) материалов, которые работали бы при комнатной температуре и подходили бы для использования в практичных устройствах полупроводниковой спинтроники…

Но несмотря на столь унылый результат, это совершенно не означает, что прогресс забуксовал и остановился.

Компаунды Гейслера

Чрезвычайно важное для истории спинтроники событие произошло летом 2010 года, когда через журнал Nature было широко обнародовано открытие физиков из германского университета Майнца. Этот университет с давних пор имеет репутацию одного из главных мировых центров по исследованиям так называемых компаундов Гейслера (о специфических свойствах данных материалов рассказ впереди).

Благодаря же новому открытию ученых, обнаруживших в компаундах Гейслера совершенно особое квантовое состояние материи – именуемое «топологический изолятор» – попутно открылись и новые замечательные перспективы для развития спинтронных технологий. Причем не только в области устройств памяти, но и для полупроводниковых микросхем, и для новых батарей электропитания, и для многих других заманчивых приложений.

Что же это такое, материалы Гейслера?

Прежде всего, уместно отметить, что вообще-то немецкую фамилию Heusler следует читать как Хойслер. Однако по многовековой российской традиции иностранные имена и названия произносятся у нас на собственный манер. Поэт, известный в мире как Хайне, у нас именуется Гейне. Залив Хадсон мы называем Гудзон. По той же причине инженера-ученого Фридриха Хойслера, в начале 1900-х годов открывшего необычные свойства у сплавов обычных металлов, в России принято и сегодня именовать по старинке – Гейслером.

На протяжении вот уже многих лет материалы Гейслера находятся в фокусе исследований ученых по следующей причине. Являясь относительно простыми химическими соединениями из трех базовых элементов, компаунды Гейслера могут обладать широким спектром разнообразных физических характеристик.

Так, известнейшая специфическая особенность этих компаундов в том, что они демонстрируют характеристики, сильно иные, нежели естественно ожидать от элементов, их составляющих. Первый компаунд Гейслера, например был сделан из немагнитных элементов – меди, марганца и алюминия. Однако их сплав вида Cu2MnAl ведет себя как ферромагнит даже при комнатной температуре. Аналогично, когда комбинируются три металла в иной комбинации, в результате может получаться полупроводник.

4.Heusler_alloystructure

Если чуть подробнее, то компаундами Гейслера называют материалы с очень общей структурой состава, выражаемой формулой X2YZ (где X, Y это переходные металлы, а Z – элементы из III-V групп таблицы Менделеева). Поскольку каждый из элементов X, Y, Z может быть выбран из примерно 10 различных кандидатов, общее число всевозможных материалов Гейслера грубо оценивают цифрами порядка 1000 (плюс к этому, имеются так называемые «полу-Гейслеры», описываемые формулой XYZ и тоже обладающие спектром интересных свойств).

Благодаря несложной и гибкой структуре в основе, желательные свойства компаундов Гейслера могут быть настроены путем подстройки их композиционного состава. Иначе говоря, у исследователей имеется весьма широкий класс веществ, простых в изготовлении и зачастую состоящих из относительно недорогих общедоступных компонентов, но позволяющих при этом получать материалы с весьма экзотическими ферромагнитными или полупроводниковыми свойствами.

Благодаря этому, в частности, компаунды Гейслера ныне считаются очень перспективным материалом для изготовления солнечных батарей и других термоэлектрических генераторов, способных напрямую преобразовывать тепло в электричество. Например, без подвижных деталей конструкции вырабатывать электроэнергию от процессов побочного тепловыделения машин и приборов.

Когда же в середине 2000-х годов сначала теоретики, а вскоре и экспериментаторы открыли в природе совершенно новое состояние материи под названием топологический изолятор, то через некоторое время выяснилось, что и тут компаунды Гейслера оказываются в высшей степени полезным материалом.

На протяжении последних лет шести-семи топологические изоляторы, или кратко ТИ, являются очень горячей темой исследований в области твердотельной физики и материаловедения. Главным характерным свойством ТИ считается тот факт, что хотя данные материалы реально являются изоляторами или полупроводниками, однако их поверхности ведут себя как проводящий ток металл – но металл далеко не обычный. Словно в сверхпроводниках, в ТИ электроны движутся на поверхностях без взаимодействия со своим окружением – поскольку они находятся в неведомом прежде квантовом состоянии «топологической защиты».

При этом в резком контрасте с физикой сверхпроводников находится другое свойство ТИ. В топологических изоляторах на поверхности имеется не один, а два не взаимодействующих друг с другом тока – по одному на каждое из направлений спина – которые текут в противоположных направлениях.

И понятно, наверное, что два этих устойчивых спиновых тока, на которые не действуют дефекты структуры или загрязнения в материале, как будто созданы для того, чтобы их применяли в спинтронике (а также и в прочих приложениях квантовой информатики – вроде квантовых компьютеров).

Так что даже из этих соображений можно представить, сколь мощный интерес и даже, можно сказать, бурное возбуждение проявились в научном сообществе, когда выяснилось, что именно такими замечательными свойствами ТИ обладают давно исследуемые и осваиваемые учеными материалы Гейслера.

Причин для подобного возбуждения называют сразу несколько.

Во-первых, интерес к компаундам Гейслера вызван их возможностями проявлять, как это называют специалисты, «полуметаллический» характер. Термином полуметаллический характер обозначают то, что данный материал способен одновременно обеспечивать металлическое поведение электронов с одним спиновым компонентом (например, для электронов со «спином-вверх»), и изолирующее поведение для другой спиновой ориентации (типа «спин-вниз»). При этом материалы могут демонстрировать уровень спин-поляризации 100% , что делает их идеальными кандидатами для спин-поляризаторов (инжекторов) или же, наоборот, для спин-детекторов.

Во-вторых, компаунды Гейслера – это не просто весьма большой класс материалов, насчитывающий свыше 1000 представителей, но и содержит в себе – согласно расчетам – свыше 50 компаундов, имеющих отчетливые признаки топологических изоляторов.

Отсюда же следует и «в-третьих»: благодаря такому разнообразию, теперь становится возможным подбирать не только желательные, но и разрабатывать совершенно новые физические эффекты. Уже вполне ясно, что поскольку эти материалы состоят из трех элементов, они заведомо могут предлагать широкий диапазон и других интересных свойств в дополнение к квантовому состоянию топологической защиты поверхности.

В частности, теперь становится возможным комбинировать в одном материале сразу несколько необычных квантовых состояний, когда, например, сверхпроводимость и топологическая поверхность взаимодействуют друг с другом. А это открывает путь к совершенно новым, экспериментально не обнаруженным пока характеристикам, некоторые из которых уже предсказаны теоретически…

В-четвертых, наконец, разработка новых гейслеровых компаундов – это в данной области отнюдь не единственный подход к порождению желаемых свойств материала. Другой многообещающей альтернативой является модификация уже хорошо известных материалов, поскольку и в них можно подстраивать структуру под желательные характеристики. Причем подобное «перемоделирование» в итоге тоже может порождать такие материалы, которые вполне можно рассматривать как новые.

Одна из типичных процедур для модификации хорошо освоенных в производстве материалов – это ионная имплантация. При этой операции образец стандартного материала обрабатывают пучком ионов, которые порождают изменения в кристаллической решетке и остаются встроенными в структуру материала как присадки. После чего новые свойства материала – это результат сразу двух факторов: перемен структуры, вызванных «бомбардировкой», и присутствием новых атомов в составе структуры.

Подводя же итог всем этим важным открытиям применительно конкретно к спинтронике, уже можно достаточно уверенно говорить, что компаундам Гейслера суждено сыграть здесь ключевую роль. Поскольку понятно, что эти материалы позволяют существенно по-новому преодолеть известные препятствия, мешающие скомбинировать обычные ферромагниты со стандартными промышленными технологиями в индустрии полупроводников.

Cпинтроника в 3D

Гейслеровы материалы, спору нет, чрезвычайно перспективное направление для дальнейшего прогресса. Но дабы не создавалось ложное впечатление, будто это чуть ли не единственный на сегодня маршрут развития спинтроники, полезно было бы сделать обзор и других интересных разработок. Вроде, скажем, спинтроники на основе органических материалов. Или спинтронной трековой памяти (magnetic racetrack memory, MRM). Или, наконец, спинтронных источников питания на основе магнитных туннельных переходов.

Однако объем статьи не резиновый, поэтому здесь – в качестве в заключения обзора – ограничимся лишь кратким рассказом о еще одной примечательной и совсем новой разработке. Которая сделана учеными Кембриджского университета и объединяет в себе сразу два наиболее перспективных направления в современной электронике – спинтронику и 3D-чипы.

5.3d-chip

Над идеей многослойных или стэковых, как еще говорят, конструкций 3D-чипов конструкторы начали работать довольно давно, по меньшей мере с 1990-х годов. Суть замысла достаточно проста. Если на той же, что и сейчас, кремниевой основе научиться делать не плоские, а подлинно трехмерные – со множеством соединений меж слоями – интегральные схемы слоев эдак на 100, то закон Мура, скорее всего, и дальше будет исправно работать. Отсчитывая от сегодняшних дней, еще лет 15 как минимум.

Но одна из труднейших проблем, и поныне стоящих перед разработчиками 3D-чипов, заключается в том, что при опоре на традиционную электронику никак не удается придумать действительно хороший способ для передачи информации между слоями. Если опираться в этом деле на обычные транзисторы схемы, то из-за этого заметно возрастает энергопотребление, а отвод тепла в стэковой конструкции, напротив, сильно усложняется – поскольку большинство элементов теперь спрятано во внутренних слоях чипа.

Иначе говоря, традиционный подход к конструированию чипа в 3D получается не только неуклюжим и дорогим, но еще и чрезмерно перегретым. А это все означает, что в трехмерной конструкции микросхем для передачи информации между слоями крайне желательно опираться на что-то иное.

Ученые Кавендишской лаборатории в Кембридже решили применять для этого спинтронику. То есть в стэковой многослойной конструкции, характерной для трехмерных чипов, они придумали и реализовали остроумный механизм вертикальных межслойных соединений, который работает на базе квантового спина частиц.

Свою разработку они назвали «спинтронный регистр сдвига», а работает эта конструкция как своего рода квантовый храповой механизм – где биты данных и команд, закодированные в спинах, однонаправленно проталкиваются из одного слоя в другой с минимальными затратами энергии и, соответственно, практически без тепловыделения.

Реализован этот «вертикальный регистр» в виде довольно хитрой многослойной структуры сэндвича, где два разных типа металлических слоев толщиной всего в несколько атомов, попеременно уложены друг на друга. Свойства слоев сэндвича подобраны так, чтобы местоположение бита информации сдвигалось вверх на «одну ячейку регистра» для каждых двух перебросов в полярности магнитного поля.

5.3d-spintronics

Иначе говоря, определенный домен «спин-вверх» в магнитном слое (или иначе ячейке) 12, скажем, после двукратного переключения магнитного поля появляется в ячейке (магнитном слое) 13. Данный механизм перескоков домена по слоям-этажам чипа – это, собственно, и есть базовый режим функционирования регистра сдвига в данной конструкции.

Понятно, что от лабораторной демонстрации устройства до массового производства спинтронных 3D-процессоров на его основе путь, скорее всего, очень неблизкий. Но зато нет сомнений, что продемонстрированная технология является подлинно новаторской, опирается на вполне стандартные производственные процедуры и для своего дальнейшего развития (на данный момент) не имеет препятствий принципиального характера.

Для буквально новорожденной технологии и этого, можно признать, совсем даже немало.