В настоящее время мы все чаще слышим о разработке новых спинтронных устройств и технологий, устройств, в которых информация передается и обрабатывается в виде так называемых спин-волн, волн упорядоченного вращения электронов или атомов. Но такие технологии практически бесполезны без методов, позволяющих с высокой точностью генерировать и измерять параметры спин-волн, другими словами, считывать информацию, переносимую этими волнами. Достаточно значимых успехов в этом деле удалось добиться ученым из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США которые произвели точные измерения времени существования, дальности распространения и других параметров спин-волн, «бегущих» внутри наноразмерных спинтронных устройств. А ключом к таким измерениям стали кремниевые нанопроводники, контактирующие со слоем ферромагнитного металла через туннельный барьер, состоящий из слоя графена одноатомной толщины.
Кремниевый нанопроводник
Проводя свои исследования, ученые наблюдали за проявлением так называемого эффекта Ханле, индуцируемым поляризованным вращением носителей электрического заряда вблизи области контакта нанопроводника и ферромагнитного материала. Кроме этого, производились наблюдения проявлений этого же эффекта, который выступал в роли измерительного инструмента, вызванного «чистыми» спин-волнами, протекающими через материал кремниевого нанопроводника. Использование графена в качестве туннельного барьера обеспечивает достаточно низкоомную связь между двумя материалами и исключает последствия влияния различных явлений магнитной природы.
Полупроводниковые кремниевые нанопроводники по сути представляют собой путь, по которому может пойти развитие технологий, целю которых является дальнейшее сокращение размеров структуры транзисторов, из которых состоят все современные цифровые чипы. Включение в общее уравнение еще одного дополнительного параметра, направления вращения электронов, позволит реализовать совершенно новые принципы передачи, хранения и обработки информации, которые станут основой новых энергонезависимых перепрограммируемых устройств, возможности которых будут во много раз превосходить возможности существующих полупроводниковых устройств. Однако, идеальным материалом технологий, основанных на использовании спина электронов, является кремний, материал, с хорошо изученными свойствами и широко используемый в современной полупроводниковой технике.
Для того, чтобы иметь возможность оперировать информацией, переносимой спин-волнами, необходима эффективная электрическая технология возбуждения таких волн в полупроводниковом материале. Эффективность такой технологии сильно зависит от сопротивления интерфейса между ферромагнитным металлическим контактом и кремниевым нанопроводником. Создание низкоомного перехода особенно проблематично из-за очень малой площади контакта, которая в большинстве случаев не превышает 100 квадратных нанометров. Сначала исследователи пытались использовать достаточно стандартные окисные туннельные барьеры, но этот подход не дал хороших результатов, характеристики возбуждаемых спин-вол не демонстрировали достаточного уровня повторяемости.
Выходом из этой ситуации стал туннельный барьер из графена, низкое сопротивление которого позволило реализовать высокоэффективное возбуждение спин-волн. И такое стало возможным благодаря тому, что графен обладает строго определенной толщиной, не имеющей никаких отклонений от типового значения. Кроме этого, при некоторых условиях графен обладает уникальными магнитными свойствами, позволяющими передать «магнитные сигналы» от металлических проводников к кремниевому нанопроводнику.
В ближайшем будущем исследователи планируют произвести попытку использования в качестве туннельного барьера материала, состоящего из нескольких слоев графена или шестиугольной плоской формы нитрида бора. Это, по мнению ученых, должно обеспечить более глубокий уровень поляризации вращения электронов, что, в свою очередь, обеспечит более высокое значения отношения сигнал-шум и соответствующее ускорение скорости работы крошечных спинтронных устройств на основе кремниевых нанопроводников.
