Spintronik i focus

Spinntronik (eller spinnelektronik) är ett område i angränsning till elektroniken som jag nämnde i förbifarten angående årets Nobelpris i fysik. Spintronik är elektronik där man även utnyttjar att elektronen har två spinn. Den grundläggande idén är att att i vissa material, framförallt de ferromagnetiska, så har elektroner av olika spinn olika elektrisk resistans. Det utnyttjades av Fert och Grünberg för gigantisk magnetoresistans och var alltså det som gav dem Nobelpriset.

Men spinntronik är inte begränsat till hårddiskar och deras läshuvuden, utan visionen är att även tillverka spinntransistioner (spin-FET), och andra typiska halvledarkomponenter. Den visionen är inte ny. I en mycket läsvärd review-artikel i Science 2001 sammanfattar Wolf et al¹. möjligheterna och problemen som spintroniken stod inför då. Vi står inför ungefär samma utmaningar nu. Man kan även titta på den lättare SciAm-artikeln av Awschalom et al². eller den mycket tekniska 88-sidiga review-artikeln av Žutić et al³.

Förhoppningen är att en spin-FET skall kunna fungerar snabbare och med lägre energikonsumtion än en traditionell transistor. I en vanlig FET öppnar och stänger man ledningen genom att putta bort laddningar med ett elektriskt fält. I en spin-FET skulle man istället kunna göra det genom att kontrollera elektronens spinn, viket kräver mindre energi och kan göra snabbare.

De stora utmaningarna för spinntroniken är att tillverka material med tillräckligt stor spinpolarisation, dvs skillnad mellan anal upp- och nerelektroner, som samtidigt kan fungera tillsammans med halvledarkomponenter och vid rumstemperatur. Ett annat problem är att elektronen kan byta spinn vid kollisioner med orenheter eller andra defekter, eller genom termisk excitation. Om för många av de spinpolariserade elektronerna byter spinn så tappar man den spinntroniska effekten. En kritisk punkt är i gränsskiktet mellan olika material där en stor del av polariseringen ofta går förlorad.

I det senast numret av Nature Materials presenterar tyska och amerikanska forskare⁴ lovande resultat med den ferromagnetiska halvledaren EuO. Man har bland annat kunnat integrera materialet med kisel och GaN samtidigt som EuO har en spinpolarisation på 90% hos de rörliga elektronerna. Samtidigt återstår många problem, som att curietemperaturen är 69 K, men det är ett lovande steg mot en fungerande spinntronik.

I samma nummer av Nature Materials ger även Nobelpristagaren Fert sin syn på framtidens magnetiska minnen⁵.

Referenser: (de flesta bakom betalväggar, men den som vill ha en kopia kan skicka ett mail.)
¹ S. A. Wolf, D. D. Awschalom, R. A. Buhrman et al., "Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future," Science 294 (5546), 1488-1495 (2001).
² D. D. Awschalom, M. E. Flatté, and N. Samarth, "Spintronics.," Sci. Am. (June) (2002). (På nätet)
³ I. Žutić, J. Fabian, and S. Das Sarma, "Spintronics: Fundamentals and applications," Rev. Mod. Phys. 76, 323-410 (2004) (även på ArXiv).
⁴ 1 A. Schmehl, V. Vaithyanathan, A. Herrnberger et al., "Epitaxial integration of the highly spin-polarized ferromagnetic semiconductor EuO with silicon and GaN," Nat. Mat. 6 , 882-887 (2007); J. F. Gregg, "A growing science," Nat. Mat. 6, 798-799 (2007).
⁵ C. Chappert, A. Fert, and F. Nguyen van Dau, "The emergence of spin electronics in data storage," Nat. Mat. 6, 813-826 (2007).

Andra bloggar om: vetenskap, forskning, nanoteknologi, spinntronik.