Spintronics - Univerzita Palackého v...

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

Electronics

C1060217646.1 19QElectron has fixed charge

manipulating charge = manipulating entire electron

Transistor

Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Ie

Electronics

VG

Transistor


Ie

Electronics

VG

Transistor


Ie= 0

Electronics

Transistor


VG

1 0

Electronics

Electron has spin - magnetic moment

manipulating spin = manipulating internal degree of freedom of electron

Spintronics

eV/T1078835 5 ×.B

Spintronics

M

Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientation

Kelvin, 1857

Ie

M

Spintronics

Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientationc

Kelvin, 1857

Ie

Spintronics

Giant magnetoresistance

Fert, Grünberg, 1988

1

0

Ie

Ie= 0

M

Spintronics

Inverse magnetoresistance: spin (magnetization) orientation depends on current

Berger, 1978

First HDD, 1956 – MB in a room

Micro HDD – 100GB in a pocket

Spintronic sensors

1990s

Spintronic sensors

Spintronic sensors

1990s

../1.swf

Non-volatile RAM, 2006

Spintronics memory chip - MRAM

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

kB

MB

GB

TB

huge

gap

MRAM

in a few years

Non-volatile spintronic logic

Conventional architecture with CMOS New architectuture with

spin memory/logic

longer term ...

Worldwide MRAM development and manufacturing

Outline

Spintronic devices



Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics

),(2

),(

2

1

2

2

22

22

trrm

trt

i

mvm

pE

)/1(/1

,

22

0

2

cv

mmmcE


Dirac equation

Spin: internal degree of freedom of electron

Spin-up

eV/T1078835 5 ×.B


Spin-down


Quantum physics:

any linear combination allowed

a + b


Ultra-relativistic quantum particles (neutrino)

spcE

spin and orbital motion coupled


Dirac equation

spin and orbital motion coupled


spcEDirac equation

“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)

Ohmic “Dirac“ device: AMR

Magnetization-orientation-dependent scattering

Kelvin, 1857

Tunneling “Mott“ device: TMR

MRAM

Spin-channel-dependent tunneling DOS

M

“Dirac“ spin-gated transistor

Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher,

Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint ‘12

M“Dirac“ spin-gated transistor



“Dirac“ spin-gated transistor

Magnetization-orientation-dependent

chemical potential



Outline

Spintronic devices



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

Single-crystal Mg0

large MR

perpendicular M

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

FM AFM

2)(~ mAMR

“Dirac“ spintronic devices based on antiferromagnets

Shick, Jungwirth PRB ’10

Ta/Ru/Ta

MnIr

MgO

Pt

NiFe

NiFe

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

Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto,

Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11

Ta/Ru/Ta

MnIr

MgO

Pt

NiFe

NiFe




Ta/Ru/Ta

NiFe

MnIr

MgO

Pt




Ta/Ru/Ta

NiFe

MnIr

MgO

Pt

>100% MR signal at ~50 mT

50

100

R [k

]-1 0 1

B [ T ]




3 nm IrMn

Ta/Ru/Ta

NiFe

MnIr

MgO

Pt

Electrically measurable memory effect in AFM

-1000 -500 0 50020

40

60

80

R (

ko

hm

)Field (Oe)




Ferromagnetic semiconductors

Molecular beam epitaxy of (Ga,Mn)As

Ferromagnetic semiconductors

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

Ultrafast (100fs) excitation of magnetization

Nemec, Rozkotova, Tesarova, Trojanek, Ranieri, K.Olejník, Zemen, Novák, Cukr, Malý,

Jungwirth, Nature Phys. 2012

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

– – – – – – – – – – – –

+ + + + + + + + + + + +

+




– – + + – –

+ + – – + +

+




VG

– – + + – – + + – –

+ + – – + + – – + +

+




VG2

VB IPH

VG1

RH1RH2

2m

RH2

[]

+

-3.0

0.0

3.0

VG

2 [V

]

Hall bar 2

VG1 [V]

0

0

-1

0

0

0

+1

0

-4

0

+4

0.25

0

-0.25

-0.5

-0.750.25

0

-0.25

-0.5

-0.75

-0.5 -0.25 0 0.25

+

-

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1

AND



“Dirac“ non-magntic semiconductor logic

Univ. of Nottingham, UKInstitute of Physics ASCR and

Charles Univ., Prague, Czech Rep.

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, ....

Gould et al. PRL‘04

- Bistable spin-valve-like signal whose sign depends

on field angle

- Discovered in GaMnAs

Tunneling “Dirac“ device: TAMR

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

-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

(m)→

Chemical potential

controlled “Dirac“ device:

CBAMR

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

Gate-voltage and magnetiztion-

angle dependent Coulomb

oscillations

Discovered in GaMnAs

SET

Electrical control of spintronics

B (T) → rotating m→

VG1

VG2

Positive & negative MR

Spintronic control of electronics

m1

m2

p-type & n-type transistor

Chemical potential


CBAMR

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

Chemical potential


CBAMR

Bernard-Mantel et al. Nature Phys. ‘09

CBAMR confirmed in metal channel with ferromagnetic

leads

Transistor

../electr081.swf

1. transistor z roku 1947 ..dnes s velikostí hradla pod 20 nm a

vzdáleností 2 nm od polovodivého kanálu

(1 nm = 10-9 m)

Transistor

../electr081.swf

Několik kilometrů drátů o tloušťce 10-100 nm

10-100 milionů transistorů na čipu

Integrovaný obvod - čip

../electr081.swf

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“

32 nm 201040

Stavebnice z jednotlivých atomů


Čisto (vakuum) jako v mezihvězdném prostoru

10−9 to 10−12 mbar 10−6 to 10−17 mbar

Růst po atomových vrstvách


Atomárně hladké vrstvy


../ideal.avi

Střídaní atomů ve vrstvě nebo od vrstvy k vrstvě


../ybco.avi


Kreslení atomy po povrchu

../ybco.avi


Kreslení atomy po povrchu

35 atomů xenonu na povrchu niklu (1990)

../ybco.avi

Křemík (Si) za cín


Výměna atomů

../ybco.avi

Atom

Atomové jádro MeV (106 eV)

Atom

Valenční elektrony eV

Atomové jádro MeV (106 eV)

Elektron - ika

Elementární částice elektron:

Náboj

hmotnost

Síla vnějšího electrického pole na elektron maEQ

kg1010938188.9 31m

C1060217646.1 19Q

Co dál s elektronem?

-

Kvantová relativistická fyzika

),(2

),(

2

1

2

2

22

22

trrm

trt

i

mvm

pE


)/1(/1

,

22

0

2

cv

mmmcE

Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu

time

space


time

space

Spin-up


time

space

Spin-down


time

space

Kvantová fyzika:

libovlná kombinace také možná

a + b

time

space

Elektronika s kvantovými bity a kvantovým počítáním

00 11 10 01nebo nebonebo

Klasické 2 bity a počítání

Kvantové 2 bity a počítání: 1= a 0=

buď

v páru kvantových bitů je možné uložit libovolnou kombinaci 4 stavů najednou

a00+ b11+ c10+ d01

Pro n bitů je to 2n stavů

2 4

10 1024

100 1267650600228229401496703205376

Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi

Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)

spcE

spin a pohyb se vzájemně ovlivňují


Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)


neutrino

spcE spvE

graphene

Elektron v jedné atomové

vrstvě uhlíku (graphenu):

= kapesní neutrino

rychlost 300/cv

Geim & Novoselov, Nobelova cena 2010

Spin je magnetický moment

eV/T1078835|| 5 ×.m B

Elementární magnetický moment (Bohrův magneton)

m

BmE

Energie v magnetickém poli

Spintronika – malé shrnutí

Elektron nese elementární (záporný) naboj



Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje

a00+ b11+ c10+d01




a který může být s pohybem svázána00+ b11+ c10+d01




a který může být s pohybem svázána00+ b11+ c10+d01

Spin je elementární magnetický moment

Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče

Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál

Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče

Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál

a paměť

První spintronické prvky v magnetických sensorech

Anisotropní magnetoresistance (AMR) – 1850’s 1990’s

Giantická magnetoresistance (GMR) – 1988 1997

Indukční čtecí hlavy (cívka)

Spintronické čtecí hlavy

Grünberg & Fert `88, Nobelova cena 2007

Lord Kelvin

1857

../1.swf

První pevný disk (1956) - MB Dnešní mikro-disk - 100 GB

Spintronika umožnila obrovské zvýšení kapacity pevných disků

RAM čip, který nezapomíná nehybný „pevný disk“

Spintronická operační paměť v čipu - MRAM

Prvni 4Mb MRAM 2006

Spintronika umí několik funkcí v jedné součástce:

číst, pamatovat si i zapisovat informaci

Zápis pomocí spinově polarizovaných proudů

GB MRAM ~2015

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

GaAs – standardní III-V polovodič

Group-II Mn – magnetické momenty

a díry

GaAs:Mn – feromagnetický a elektricky

dopovaný polovodič

Růst Mn-dopovaného GaAs s atomovou přesností

Elektrické ovládání spintronikySpinové ovládání elektroniky

VG1

VG0

Spintronický transistor

Jiná možnost je ochočit spiny v nemagnetickém polovodiči

I || E

_ FSO

FSO

_ __

Spin závisí na pohybu elektronu

Zmagnetované hrany

(spinový Hallův jev)

Stejná magnetizace v polovodiči dosažená pomocí

milionkrát menších proudů i rozmerů

Spinový Hallový mikročip

Supravodivý magnet

– – –

+ + +

+

Injektované spinově polarizované proudy budí příčné elektrické napěti

Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit

– – – – – – – – – – – –

+ + + + + + + + + + + +

+


Ustálený stav

– – + + – –

+ + – – + +

+


Spiny působí na proud ale i proud může působit na spiny

– – + + – –

+ + – – + +

+


Elektrony stále proudí

matipuluje se spin

VG

– – + + – – + + – –

+ + – – + + – – + +

+



matipuluje se spin

Budoucnost mikroelektroniky „ve hvězdách“ …

.... spintronika jednou z možných cest ....

.... 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

.... která se učí z kvantové relativistické fyziky a

skládání látek z jednotlivých atomů....

VG2

VB IPH

VG1

RH1RH2

2m

RH2

[]

+

-3.0

0.0

3.0

VG

2 [V

]

Hall bar 2

VG1 [V]

0

0

-1

0

0

0

+1

0

-4

0

+4

0.25

0

-0.25

-0.5

-0.750.25

0

-0.25

-0.5

-0.75

-0.5 -0.25 0 0.25

+

-

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1

AND

Spintronický transistor: experimentání realizace


matipuluje se spin

Kvantová fyzika

částice i vlna zároveň

částice )2

1(

2

22

mvm

pE

r-ip

tiE

,

Kvantová fyzika

částice i vlna zároveň

přechod od klasické ke kvantové fyzice

)]sin()[cos(),( trkitrkAtr vlna

vlnové číslo pk

frekvence E

),(2

),(2 2

222

trrm

trt

im

pE

time

space

Relativistická fyzika

0

2

mm

mcE

2

2

1

1

c

v

time

space

Relativistická fyzika

- Absence absolutní vztažné soustavy (etheru)

- Maximální rychlost (rychlost světla ve vakuu)

stejná ve všech inerciálních soustavách

4-rozměrný časoprostor

)/('

)('

2cvxtt

vtxx

Energie a hmotnost

time

space

Kvantová-relativistická fyzika

0

2

mm

mcE


)/('

)('

2cvxtt

vtxx

Energie a hmotnost

r-ip

tiE

, )

2

1(

2

22

mvm

pE

t

2)(

r

nerelativisticky

time

space

Kvantová-relativistická fyzika

0

2

mm

mcE


)/('

)('

2cvxtt

vtxx

Energie a hmotnost

r-ip

tiE

, nová vlnová rovnice pro dvě nerozlučné vlny

(vlastně čtyři, ale ty další dvě pro antičástice)

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

32 nm 201040

End of the CMOS scaling era


1b transistors on a chip

Mfree rotates towards Mfixed

parallel alignmentMfree rotates away from Mfixed

antiparallel alignment

Mfree

electron flux

Mfixed

Mfree

electron flux

Mfixed

“Mott“ inverse magnetoresistance device: spin transfer torque

write with current

STT-MRAM

“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

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

Relies on spin-transport between ferromagnets

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

Ferromagnetism = Pauli exclusion principle & Coulomb repulsion

total wf antisymmetric = orbital wf antisymmetric * spin wf symmetric

(aligned)

can be as strong as bonding in solids

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

vI Q rE3

04 r

Q

3

0

4 r

rIB

EvEvB 200

1

c EvSS

2B

mc

egH B

SO

Lorentz transformation Thomas precession

2 2

Ohmic “Mott“ device: GMR

Spin-channel-dependent scattering

Fert, Grünberg, 1988


Gould, Ruster, Jungwirth, Molenkamp

et al. 2004

Magnetization-orientation-dependent

tunneling DOS

Spintronics - Univerzita Palackého v...

Documents

Transcript of Spintronics - Univerzita Palackého v...