Spintronics. Tomas Jungwirth. Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep. and University of Nottingham, UK

Spintronics

Tomas Jungwirth

Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep. and University of Nottingham, UK

Outline

Spintronic devices Physical paradigms of spintronics

Materials for spintronics

Outline



Electronics

Electron has fixed charge Q  1.60217646 10

19

C

manipulating charge = manipulating entire electron

Electronics

Ie Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Electronics

VG

Ie

Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Electronics

VG

Ie = 0

Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Electronics

VG

1

0 Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Spintronics

Electron has spin - magnetic moment

 B  5.7883×105 eV/T

manipulating spin = manipulating internal degree of freedom of electron

Spintronics

M Ie

Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientation Kelvin, 1857

Spintronics

M

Ie Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientationc Kelvin, 1857

Spintronics

1 Ie 0 Ie = 0

Giant magnetoresistance Fert, Grünberg, 1988

Spintronics

M

Inverse magnetoresistance: spin (magnetization) orientation depends on current Berger, 1978

Spintronic sensors

First HDD, 1956 – MB in a room

Micro HDD – 100GB in a pocket

Spintronic sensors

1990s

Spintronic sensors

1990s

Spintronics memory chip - MRAM Non-volatile RAM, 2006

MRAM: universal memory

write with magnetic field

write with current

write with current & perpendicular  scalable to ~ 10 nm

MRAM: universal memory

Compatible with CMOS

Conventional architecture with CMOS

New architectuture with MRAM

MRAM

kB MB

in a few years huge gap

GB

TB

Non-volatile spintronic logic

Conventional architecture with CMOS

New architectuture with spin memory/logic

longer term ...

Worldwide MRAM development and manufacturing

Outline



Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics p2 1 E   mv 2 2m 2   i  (r , t )  t  2 2   ( r , t) 2m r 2

Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics

E  mc2 , m  m0

  1 / (1  v 2 / c 2 ) Dirac equation

Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics

Spin: internal degree of freedom of electron


Spin-up



 B  5.7883×105 eV/T




Spin-down


Quantum physics: any linear combination allowed

a + b

Ultra-relativistic quantum particles (neutrino)

Ultra-relativistic quantum particles (neutrino) Dirac equation

  E  cp  s

spin and orbital motion coupled




  E  cp  s





  E  cp  s






“Dirac“ spintronics paradigm: quantum-relativistic spin-orbit coupling

Relies on a single spin-orbit coupled magnet (or non-magnet)

“Mott“ spintronics paradigm: two-spin-channel model of ferromagnets

Relies on spin-transport between ferromagnets

Ohmic “Dirac“ device: AMR Kelvin, 1857

Magnetization-orientation-dependent scattering

Tunneling “Mott“ device: TMR

MRAM

Spin-channel-dependent tunneling DOS

“Dirac“ spin-gated transistor

M

Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher, Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint ‘12


M

Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher, Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint ‘12

Magnetization-orientation-dependent chemical potential


 Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher, Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint ‘12

Outline



Current “Mott“ sensors and MRAMs based on FM transition metals

Single-crystal Mg0  large MR  perpendicular M

“Dirac“ spintronic devices based on antiferromagnets

Spin-orbit AMR effects equally well present in AFMs as in FMs FM

AFM

  AMR ~ (m) 2 

Shick, Jungwirth PRB ’10

From “Mott“ FM-FM device to “Dirac“ AFM device

Pt NiFe

MgO NiFe

MnIr Ta/Ru/Ta

Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto, Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11


Pt MgO NiFe

MnIr Ta/Ru/Ta


NiFe


Pt MgO

MnIr NiFe Ta/Ru/Ta



Pt MgO

MnIr

NiFe Ta/Ru/Ta



Pt MgO

R [k]

100 3 nm IrMn

MnIr 50

NiFe

-1

Ta/Ru/Ta


0 B[T] >100% MR signal at ~50 mT

1

Pt MgO

MnIr

R (kohm)


80 60 40

NiFe Ta/Ru/Ta

20

-1000

-500 0 Field (Oe)

500

Electrically measurable memory effect in AFM


Ferromagnetic semiconductors

Ferromagnetic semiconductors Molecular beam epitaxy of (Ga,Mn)As

GaAs – common III-V semiconductor Group-II Mn – magnetic moment, holes

GaAs:Mn – feromagnetic semiconductor

Optical spin transfer torque in (Ga,Mn)As ferromagnetic semiconductor

Nemec, Rozkotova, Tesarova, Trojanek, Ranieri, K.Olejník, Zemen, Novák, Cukr, Malý, Jungwirth, Nature Phys. 2012

Ultrafast (100fs) excitation of magnetization compare with ns-scale of current STT

“Dirac“ non-magntic semiconductor (spin-Hall) transistor

+ + + + –

–

–

Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák, Sinova, Jungwirth, Science 2010


+ + –

–

+ –

+ –

+ –

+

+ +

+

– –

–

– –

+ + + –

+

–



+ + –

–

–

+ +

+

–

+ –

+

–



+ + –

–

–

+ +

+

–

+ –

+

–


“Dirac“ non-magntic semiconductor (spin-Hall) transistor VG

+ + + – –

+ +

– –

– –

+ + – –

+ +

+ +

– –


“Dirac“ non-magntic semiconductor logic

VG1

VG2

2m

RH2

0.25 0

RH1

Hall bar 2

V G2 [V]

-0.75 0.25 0

+

+

0

-1

0 0

0

[]

+1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

1

1

1

-4 -3.0 0.0 0

3.0 +4

-0.25 -0.5

AND

RH2

-0.25 -0.5

IPH

VB

-

-0.75 -0.5V-0.25 0 0.25 G1 [V]


Institute of Physics ASCR and Charles Univ., Prague, Czech Rep.

Univ. of Nottingham, UK

Hitachi and Univ. Cambridge, UK & Hitachi Japan

J. Wunderlich, A. Ferguson, B.G. Park, C. Ciccarelli, Y. Kurosaki, M. Yamada, H. Yamamoto, A. Nishide, J. Hayakawa, H. Takahashi, L. Zarbo, A. Shick ,V. Novák, H. Reichlová, K. Olejník, M. Cukr, X. Marti, O. Stelmakhovych, V. Holý, P. Němec, P. Horodyská, E. Rozkotová, N. Tesařová, J. Mašek, F. Máca, J. Sinova, J. Železný, K. Výborný, J. Zemen, R. Campion, T. Foxon, B. Gallagher, P. Wadley, K. Edmonds, A. Rushforth, ....

Tunneling “Dirac“ device: TAMR - Discovered in GaMnAs - Bistable spin-valve-like signal whose sign depends on field angle

Gould et al. PRL‘04 Brey et al. APL ’04, Giddings et al. PRL ’04, Giraud et al. APL ’05, Sankowski et al. PRB ’07, Ciorga et al., NJP ’07

Tunneling “Dirac“ device: TAMR -TAMR in metals - large spin-orbit  large signal

Park, Wunderlich, Jungwirth et al. PRL’08 Shick, Jungwirth et al. PRB’06, Moser et al. PRL’07, Gao et al. PRL’07

Chemical potential controlled “Dirac“ device: CBAMR



→ (m)

Discovered in GaMnAs SET Gate-voltage and magnetiztionangle dependent Coulomb oscillations

Wunderlich, Jungwirth et al. PRL’06, Schlapps et al. PRB’09




Electrical control of spintronics

Positive & negative MR

Spintronic control of electronics p-type & n-type transistor

m1 VG1

m2

VG2 B (T) → rotating→m

Wunderlich, Jungwirth et al. PRL‘06, Solid State Commun.‘07




CBAMR confirmed in metal channel with ferromagnetic leads

Bernard-Mantel et al. Nature Phys. ‘09

Transistor

Transistor

Transistor

Transistor

1. transistor z roku 1947

..dnes s velikostí hradla pod 20 nm a vzdáleností 2 nm od polovodivého kanálu (1 nm = 10-9 m)

Integrovaný obvod - čip

Několik kilometrů drátů o tloušťce 10-100 nm 10-100 milionů transistorů na čipu

Tepelný výkon na cm dnes jako žehlička a za 10 let „ve hvězdách“

Problém s elektrickou „těsností“ při zmenšování pod 100 nm

Konec éry křemíku

Konec klasické fyziky

Fyzický konec škálovaní u 1 nm, dál už jen jednotlivé atomy

Konec škálovaní na dohled – co potom je zatím „ve hvězdách“

40

32 nm 2010

Stavebnice z jednotlivých atomů

Stavebnice z jednotlivých atomů Čisto (vakuum) jako v mezihvězdném prostoru

10−6 to 10−17 mbar

10−9 to 10−12 mbar

Stavebnice z jednotlivých atomů Růst po atomových vrstvách

Stavebnice z jednotlivých atomů Atomárně hladké vrstvy

Stavebnice z jednotlivých atomů Střídaní atomů ve vrstvě nebo od vrstvy k vrstvě

Stavebnice z jednotlivých atomů Kreslení atomy po povrchu

Stavebnice z jednotlivých atomů Kreslení atomy po povrchu

35 atomů xenonu na povrchu niklu (1990)

Stavebnice z jednotlivých atomů Výměna atomů

Křemík (Si) za cín

Stavebnice z jednotlivých atomů Výměna atomů

Křemík (Si) za cín

Atom

Atomové jádro MeV (106 eV)

Atom

Valenční elektrony eV Atomové jádro MeV (106 eV)

Elektron - ika Elementární částice elektron: Náboj

hmotnost

Q  1.60217646 1019 C m  9.10938188 1031kg

Síla vnějšího electrického pole na elektron

 QE  ma

Co dál s elektronem?

Kvantová relativistická fyzika p2 1 E   mv 2 2m 2   i  (r , t )  t  2 2   ( r , t) 2m r 2

Kvantová relativistická fyzika

E  mc2 , m  m0

  1 / (1  v 2 / c 2 )


time

Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu space

time


Spin-up



time




Spin-down

time


Kvantová fyzika: libovlná kombinace také možná

a + b

time

Elektronika s kvantovými bity a kvantovým počítáním Klasické 2 bity a počítání

buď

00

nebo

11

nebo

10

nebo

01

space

Kvantové 2 bity a počítání: 1= a 0=

a00+ b11+ c10+ d01 v páru kvantových bitů je možné uložit libovolnou kombinaci 4 stavů najednou

Pro n bitů je to 2n stavů 2 10 100

4 1024 1267650600228229401496703205376

Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)


spin a pohyb se vzájemně ovlivňují

  E  cp  s





  E  cp  s





  E  cp  s





Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi

neutrino

graphene

  E  cp  s

  E  vp  s Elektron v jedné atomové vrstvě uhlíku (graphenu): = kapesní neutrino rychlost

v  c / 300

Geim & Novoselov, Nobelova cena 2010

Spin je magnetický moment

 m

Elementární magnetický moment (Bohrův magneton)

| m |  B  5.7883×105 eV/T Energie v magnetickém poli

  E  m  B

Spin je magnetický moment

 m

Elementární magnetický moment (Bohrův magneton)

| m |  B  5.7883×105 eV/T Energie v magnetickém poli

  E  m  B

Spintronika – malé shrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj


Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje a00+ b11+ c10+d01


Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje a který může být s pohybem svázán

a00+ b11+ c10+d01



a00+ b11+ c10+d01

Spin je elementární magnetický moment



a00+ b11+ c10+d01

Spin je elementární magnetický moment

Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál



a paměť

První spintronické prvky v magnetických sensorech Spintronické čtecí hlavy Indukční čtecí hlavy (cívka)

Anisotropní magnetoresistance (AMR) – 1850’s  1990’s Lord Kelvin 1857

Giantická magnetoresistance (GMR) – 1988  1997 Grünberg & Fert `88, Nobelova cena 2007

Spintronika umožnila obrovské zvýšení kapacity pevných disků

První pevný disk (1956) - MB

Dnešní mikro-disk - 100 GB

Spintronická operační paměť v čipu - MRAM

RAM čip, který nezapomíná  nehybný „pevný disk“ Prvni 4Mb MRAM 2006

Spintronika umí několik funkcí v jedné součástce: číst, pamatovat si i zapisovat informaci

GB MRAM ~2015

Zápis pomocí spinově polarizovaných proudů

Snaha integrovat spintroniku do polovodičových součástek Spintronický transistor  procesor  stálá a operční paměť, procesor - vše v jednom čipu

Jeden přístup: udělat z obyčejného polovodiče feromagnetický Zatlouct železný hřebík do křemíkové desky není správná cesta

Jeden přístup: udělat z obyčejného polovodiče feromagnetický Růst Mn-dopovaného GaAs s atomovou přesností

GaAs – standardní III-V polovodič Group-II Mn – magnetické momenty a díry GaAs:Mn – feromagnetický a elektricky dopovaný polovodič

Spintronický transistor

Spinové ovládání elektroniky

Elektrické ovládání spintroniky

VG1 VG0

Jiná možnost je ochočit spiny v nemagnetickém polovodiči Spin závisí na pohybu elektronu

_

__

FSO

Zmagnetované hrany (spinový Hallův jev)

FSO

I || E

Spinový Hallový mikročip Supravodivý magnet

Stejná magnetizace v polovodiči dosažená pomocí milionkrát menších proudů i rozmerů

Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit

+ + + + –

–

–

Injektované spinově polarizované proudy budí příčné elektrické napěti


+ + –

–

+ –

+ –

+ –

+

+ +

+

– –

–

– –

Ustálený stav

+ + + –

–

+


+ + –

–

–

+ +

+

–

+ –

Spiny působí na proud ale i proud může působit na spiny

–

+

Spintronický transistor

+ + –

–

–

+ +

+

–

+ –

+

–

Elektrony stále proudí matipuluje se spin

Spintronický transistor VG

+ + + – –

+ +

– –

– –

+ + – –

+ +

+ +

– –


Budoucnost mikroelektroniky „ve hvězdách“ … .... spintronika jednou z možných cest .... .... která se učí z kvantové relativistické fyziky a skládání látek z jednotlivých atomů.... .... využívá spin elektronu samostatně nebo svázaného s pohybem náboje v elektrickém a magnetickém poli .... .... úspěšně nahrazuje nebo integruje prvky pro ukládání a čtení informace .... .... zpracování informace zatím na ůrovni prototypů jednotlivých spintronických transistorů

Spintronický transistor: experimentání realizace

VG1

VG2

2m

RH2

0.25 0

RH1

Hall bar 2

V G2 [V]

-0.75 0.25 0

+

+

0

-1

0 0

0

[]

+1

0

0

-0.75 -0.5V-0.25 0 0.25 G1 [V]

0

0

0

1

0

0

0

1

0

1

1

1

-4 -3.0 0.0 0

3.0 +4

-0.25 -0.5

AND

RH2

-0.25 -0.5

IPH

VB

-



Kvantová fyzika částice i vlna zároveň

2

částice

p 1 2 E ( mv ) 2m 2

Kvantová fyzika částice i vlna zároveň přechod od klasické ke kvantové fyzice

      (r , t )  A[cos(k  r  t )  i sin(k  r  t )]   vlnové číslo k  p frekvence   E vlna

   E  i , p  -i  t r   p    E  i  (r , t )    (r , t ) 2 2m t 2m r 2

2

2

Relativistická fyzika

time

space

Relativistická fyzika

time

- Absence absolutní vztažné soustavy (etheru) - Maximální rychlost (rychlost světla ve vakuu) stejná ve všech inerciálních soustavách



1 2

v 1 2 c space 4-rozměrný časoprostor

Energie a hmotnost

x'   ( x  vt)

E  mc m  m0

t '   (t  vx / c 2 )

2

time

Kvantová-relativistická fyzika 4-rozměrný časoprostor

Energie a hmotnost

x'   ( x  vt)

E  mc m  m0

2

t '   (t  vx / c ) 2

   E  i , p  -i  t r

nerelativisticky

 t

space

p2 1 2 E ( mv ) 2m 2

 2 ( ) r

time

Kvantová-relativistická fyzika 4-rozměrný časoprostor

Energie a hmotnost

x'   ( x  vt)

E  mc m  m0

2

t '   (t  vx / c ) 2

   E  i , p  -i  t r

space

 nová vlnová rovnice pro dvě nerozlučné vlny (vlastně čtyři, ale ty další dvě pro antičástice)

End of the CMOS scalingje erazatím „ve hvězdách“ Konec škálovaní na dohled – co potom

40

32 nm 2010

End of the CMOS scaling era

1b transistors on a chip



“Mott“ inverse magnetoresistance device: spin transfer torque

write with current

STT-MRAM

electron flux

electron flux



Mfixed



Mfree

Mfree rotates towards Mfixed  parallel alignment

Mfixed

Mfree

Mfree rotates away from Mfixed  antiparallel alignment

“Dirac“ inverse magnetoresistance device: spin-orbit FMR

Fang, Kurebayashi, Wunderlich, Vyborny, Zarbo, Campion, Casiraghi, Gallagher, Jungwirth and Ferguson, Nature Nano. 2011

“Mott“ spintronics paradigm: two-spin-channel model of ferromagnets

Relies on spin-transport between ferromagnets

“Dirac“ spintronics paradigm: quantum-relativistic spin-orbit coupling

Relies on a single spin-orbit coupled magnet (or non-magnet)

Ferromagnetism = Pauli exclusion principle & Coulomb repulsion can be as strong as bonding in solids

total wf antisymmetric

= orbital wf antisymmetric * spin wf symmetric (aligned) DOS

DOS

Mott majority and minority spin channels

Spin-orbit coupling from classical E&M and postulated electron spin nucleus rest frame

electron rest frame

I  Qv 1 B  0 0 v  E  2 v  E c Lorentz transformation  Thomas precession

E

Q 4 0 r

3

r

0 I  r B 4 r 3

g B e H SO  SB  S vE 2 2 2mc

Ohmic “Mott“ device: GMR Fert, Grünberg, 1988

Spin-channel-dependent scattering

Tunneling “Dirac“ device: TAMR Gould, Ruster, Jungwirth, Molenkamp et al. 2004

Magnetization-orientation-dependent tunneling DOS

Spintronics. Tomas Jungwirth. Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep. and University of Nottingham, UK

Recommend Documents