Cesta ke spinové elektronice

Elektronika minulého století využívala elektrony v roli nosičů elektrického proudu. Další miniaturizace součástek typu tranzistorů, respektive fyzikální překážky, které jí stojí v cestě, ale vědce nutí k tomu, aby se pokusili informaci zapisovat, číst i zpracovávat pomocí dalších fyzikálních vlastností elektronů.

Jednu z nich představuje spin, veličina, která způsobuje magnetické chování částice. Na naše otázky o budoucnosti spinové elektroniky odpovídá Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Začal bych otázkou týkající se samotné povahy spinové elektroniky. Ze školy si pamatujeme, že spin elektronu může mít hodnoty 1/2 a –1/2. Spiny mají i protony a neutrony. Nicméně tyto hodnoty přece nemůžeme libovolně přepínat, protože částice v atomu se uspořádávají určitým způsobem, elektrony zaplňují postupně určité hladiny energie atd. Když mluvíme např. o spinových pamětech, co se tím vlastně myslí? To pomocí hodnot spinu přímo reprezentujeme bity?

To jste nadhodil celou řadu otázek, takže to vezmu postupně. V rámci spinové elektroniky nijak nehýbeme s jádrem ani vnitřními elektrony atomu. Jde nám o spin elektronů, které jsou z atomů uvolněné (a tedy vytvářejí i samotný elektrický proud), nebo pracujeme se spiny elektronů v ne úplně zaplněné valenční (nejvyšší) slupce atomu. Když budu dále mluvit o spinu, mám tím na mysli pouze spin právě těchto volných nebo slabě vázaných elektronů.

Druhá věc je, že spíše než na určité hodnoty spinu si vzpomeňte na analogii, kterou používáme, abychom si „podivné“ kvantové vlastnosti mikrosvěta dokázali představit v běžných pojmech. Spin je podle této analogie něco jako směr rotace částice, která vytváří její magnetický moment, pokud je částice elektricky nabitá. Když „pohnete“ spinem, neboli když změníte jeho směr, může se tím ovlivnit i pohyb elektronu, a tím i elektrické vlastnosti zkoumané látky, které lze dále detekovat.

Jako jedna z již používaných aplikací spinové elektroniky se uvádějí spinové paměti. Jak vlastně fungují?

Spintronické součástky se dnes komerčně využívají ve dvou směrech souvisejících s počítačovými paměťmi. U čtecích hlav pevných disků nahradily před 20 lety klasické cívky a dnes slouží jako mikroskopické a velmi citlivé senzory pro čtení informace uložené na disku. Obrovské kapacity dnešních pevných disků jsou umožněny kromě jiných technologických vylepšení právě přechodem na spintronické senzory. Princip je takový, že magnetické pole paměťového bitu na disku vyvolá změnu orientace spinu elektronů v senzoru, který si můžeme představit jako jednoduchý odporový drátek.

Ten je ovšem vyroben z feromagnetického materiálu, např. železa, ve kterém se spiny elektronů od přírody orientují stejným směrem (proto se železo chová jako magnet navenek). Když pod takovým senzorem projde magnetický bit, změní se orientace všech těchto uspořádaných spinů a výsledkem je silná elektrická odezva senzoru. V dnešních čtecích hlavách pevných disků už nejsou jednoduché feromagnetické odporové drátky, ale složitější feromagnetické multivrstvy. Princip zůstává nicméně podobný, jen citlivost je ještě stonásobně vyšší.

Ona je tak veliká, že při jedné orientaci spinů v takové multivrstvě je odpor senzoru velmi malý a snadno jím tedy protéká elektrický proud, zatímco při opačné orientaci je odpor obrovský a téměř žádný proud součástkou neprotéká. Toho se využívá ve druhé skupině počítačových pamětí založených na spintronice. Jsou to tzv. magnetické operační paměti (MRAM), ve kterých jedna či druhá orientace spinů, při které proud protéká či neprotéká, reprezentují logickou 1 a 0. V tomto případě se jedná o součástku, která nejen umožňuje čtení magnetické informace, ale sama je i tím magnetickým bitem. Kapacita dnešních MRAM je zatím o několik řádů menší než klasických polovodičových operačních pamětí. MRAM jsou ale paměti, které si skutečně pamatují i po odpojení od elektrického napájení, a v budoucnu by tak mohly vést k počítačům, které by se nebootovaly z pevného disku, ale zapínaly a vypínaly se jako žárovka.

Uvádíte, že jedním z problémů současného výzkumu je hledání látky, která by byla feromagnetická a současně šlo o polovodič…

V předchozích dvou příkladech komerčních spintronických součástek hrálo klíčovou roli feromagnetické chování materiálu, ze kterého jsou sestrojeny. Příroda nám poskytla řadu kovových feromagnetů, jako železo, kobalt, nikl a různé sloučeniny těchto a jiných kovů. Bohužel ale neexistují běžné polovodiče, které by byly zároveň feromagnetické, a není proto možné jednoduchým způsobem integrovat základní funkce počítače v jedné mikrosoučástce. Těmi funkcemi myslím ukládání a čtení informace, kde se běžně využívá spin a feromagnetismus, a na druhé straně zpracování informace, kde základní součástkou jsou tranzistory fungující dnes na obyčejných nemagnetických polovodičích; spin elektronu zde nehraje roli.

V minulém desetiletí se mnoho skupin ve světě včetně nás snažilo připravit vhodný umělý feromagnetický polovodič. Výzkum se hodně soustředil na GaAs (gallium arsenid), což je po křemíku a germaniu nejběžnější polovodič používaný v mikroelektronice. Magnetického chování se v něm dá dosáhnout pomocí silné dotace manganem. GaMnAs skutečně vykazuje vzorové feromagnetické chování a dá se na něm demonstrovat i spintronický tranzistor. Bohužel ale funguje jen při teplotách –100 oC a nižších. Obecně se zdá, že přimět materiál, aby byl dobrý polovodič a zároveň při běžných podmínkách i silný feromagnet, je z principiálních fyzikálních důvodů obtížné. V našich nedávných článcích v časopisech Science and Nature Materials jsme představili dvě možnosti, jak ve spintronice obejít feromagnetismus. Spintronika založená na materiálech, které se navenek nechovají jako magnet, je i předmětem našeho nedávno získaného grantu od Evropské výzkumné rady.

Jaké nové výzkumné směry tedy zkoušíte?

Feromagnetické látky představují pouze jednu z variant uspořádání spinů. Existují také antiferomagnety; takových látek je mimochodem v přírodě mnohem více. Zde jsou spiny elektronů uspořádány „proti sobě“, když přecházíme od jednoho atomu ke druhému v krystalové mřížce, takže navenek se látka jako magnet nechová. Spiny jsou nicméně uspořádány a jejich kolektivní chování může ovlivňovat elektrické vlastnosti látky podobně jako u feromagnetů. Toto jsme prokázali na příkladu multivrstvy s antiferomagnetickou slitinou iridia s manganem. V souvislosti s polovodiči mají antiferomagnety obrovskou výhodu proti feromagnetům, a to, že mnohem snáze fungují při vysokých teplotách. V našich laboratořích jsme už několik takových vysokoteplotních antiferomagnetických polovodičů připravili.

Antiferomagnety navenek nevytvářejí žádné magnetické pole a zároveň jsou na vnější magnetické pole necitlivé. Jak konkrétně je tedy můžete použít?

To je pravda, můžete ale použít různé triky. Třeba antiferomagnetickou látku zkombinovat v multivrstvě s klasickým kovovým feromagnetem. Feromagnetická vrstva je citlivá na vnější magnetické pole, které otočí spiny a ty potom jako pružina mohou otočit i spiny v sousední antiferomagnetické vrstvě. Detekován je potom spinově závislý elektrický proud v této antiferomagnetické vrstvě.

To, že antiferomagnetická látka navenek sama o sobě žádné magnetické pole nebudí, představuje v řadě aplikací naopak výhodu. Vezměte si třeba právě paměti. Další miniaturizace zde naráží na řadu překážek: pokud je informace zapsána magneticky klasickým způsobem do feromagnetu, pak se paměťové buňky příliš blízko sebe už mohou začít ovlivňovat. V případě antiferomagnetů nic takového nehrozí.

Z fyzikálního pohledu a patrně i z pohledu možných aplikací je ovšem nejzajímavější možnost ovládání spinů nikoliv magnetickým, ale elektrickým polem. V takovém případě se obejdeme zcela bez feromagnetů a celá součástka může být zhotovena jen z antiferomagnetu nebo dokonce i z obyčejného polovodiče, ve kterém spiny samy od sebe nejsou uspořádané. Na konkrétní součástce z běžného polovodiče GaAs jsme např. představili spinový tranzistor, ve kterém vstupní elektrický signál změní spiny elektronů, a toto otočení spinů pak vyvolá výstupní elektrickou odezvu. Tento experiment ukázal, že místo přemísťování elektronů se svým elektrickým nábojem z místa na místo, tak jak je tomu u dnešních tranzistorů, je možné elektrony nikam nepřemísťovat a jen otáčet jejich spiny.

Kolik času z vědecké práce věnujete teorii, dejme tomu počítačovým simulacím, a kolik experimentování?

Výsledky, které jsem popsal v předchozích odpovědích, by nebylo možné dosáhnout bez spolupráce naší spintronické skupiny ve Fyzikálním ústavu AV ČR s kolegy z jiných skupin ve Fyzikálním ústavu, na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy a našich dlouholetých spolupracovníků z Cambridge a Nottinghamu ve Velké Británii a univerzit v Texasu. Často vyhledáváme spolupráci i s dalšími pracovišti, protože se snažíme o velmi komplexní výzkum. Z teoretického hlediska jdeme od jednodušších modelů až po náročné numerické výpočty.

Ty pak slouží jako motivace nebo k interpretaci experimentů, které obvykle bývají časově náročnější. Měření většinou provádíme na materiálech a mikro- nebo nanosoučástkách připravených u nás ve fyzikálním ústavu nebo s pomocí našich zahraničních kolegů. Při organizování těchto společných vědeckých projektů se snažíme promýšlet, i jak by naše výsledky mohly být v budoucnu použitelné ve spintronických aplikacích. Protože ale pracujeme v oblasti základního výzkumu, hlavní pozornost věnujeme fyzikální podstatě studovaných materiálů a součástek a objevování nových principů fungování mikroelektroniky.
11 0091/luc?

— Kdo? Vedoucí oddělení spintroniky a nanoelektroniky ve Fyzikálním ústavu AV ČR a profesor na University of Nottingham.
— Kde?Dříve působil také na University of Texas. Získal prestižní Grant pro pokročilé vědecké pracovníky od Evropské výzkumné rady (ERC). Jde o první tzv. Advanced Grant, který byl udělen českému žadateli na projekt z oblasti věd o neživé přírodě. Pětiletý grant je spojen s částkou 2 miliony eur. Tomáš Jungwirth jej obdržel na studium spintronických součástek.

Feromagnetické látky – jejich spiny se spontánně uspořádávají jedním směrem, a vytvářejí tak magnet. Především železo, kobalt a nikl.

Antiferomagnetické látky – jejich spiny se rovněž uspořádávají kolektivně, ale „na přeskáčku“, navenek tedy nevytvářejí žádné magnetické pole.

Diamagnetické látky – za normálních podmínek mají nulový magnetický moment. Ve vnějším magnetickém poli se spiny uspořádají převážně proti vnějšímu poli, které zeslabují.

Paramagnetické látky – spiny se uspořádají jedním směrem v přítomnosti vnějšího magnetického pole, a látka sama se stane magnetickou. Bez vnějšího pole se však toto uspořádání neudrží a zanikne v „tepelném šumu“.