Перспективы развития спинтроники

Перспективы спинтроники выглядят вполне обнадеживающими. Есть понимание того, в каких направлениях надо двигаться, уже созданы прототипы функционирующих устройств, хотя до массового производства большинства из них еще очень далеко. Существует немало научных и технических проблем, которые еще только предстоит решить. Например, для намагничивания элементов спинтроники необходимы сильно локализованные в пространстве магнитные поля, которые способны осуществить намагничивание объектов нанометровых размеров. Чем выше степень локализации магнитного поля, тем более высокую плотность информации можно реализовать при записи ее на магнитный носитель, и тем меньше энергии для этого потребуется.. Если создавать магнитные поля с помощью электрического тока, как это делается в настоящее время, то возникает множество проблем с изготовлением «магнитной головки» для записи и чтения информации в элементах памяти.

Относительно недавно в результате совместно проведенных исследований в Лабораторий физики твердого тела в Цюрихе (Швейцария) и в Стэнфордском университете (США) было экспериментально установлено, что намагничивание вещества можно осуществить, используя для этого пучок электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин-поляризованы). Для формирования пучка ученые облучали полупроводниковый катод поляризованным светом, в результате чего возникала фотоэмиссия электронов с определенной ориентацией спина. Этот пучок пропускался через объект, представляющий собой магнитную пленку толщиной несколько нанометров. У прошедших через объект электронов спин в результате прецессии заметно изменялся. Исходя из фундаментальных физических законов сохранения, можно сделать вывод, что и спины электронов в магнитной пленке также изменились, т. е. происходит намагничивание вещества.

Если число пролетевших через объект электронов сравнимо с количеством атомов вещества в объекте, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметным. Эффект этот может быть использован как для записи информации, так и для ее считывания. Разумеется, что интенсивность пучка электронов при записи должна быть выше, чем при чтении. Использование электронных пучков для записи/чтения информации на магнитный носитель может обеспечить очень высокое быстродействие элементам памяти, использующим данную технологию.

Большие надежды ученые связывают с новыми материалами для спинтроники, в частности, с магнитными полупроводниками. Для изготовления устройств спинтроники нужны ферромагнетики, свойства которых и обеспечивают функционирование спинтронных устройств, использующих разнообразные спиновые эффекты. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют, например, усиливать или модулировать электрический ток в транзисторах – металлы такую функцию обеспечить не могут. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, являющийся полупроводником. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, способны быть источниками спин-поляризованных электронов, а с другой стороны – их можно легко интегрировать в традиционные полупроводниковые устройства.

Учеными Северо-Западной Тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан магнитный полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде пленок нанометровой толщины методом молекулярно-лучевой эпитаксии. По своим свойствам полученный материал является исключительно перспективным материалом для создания новых спинтронных устройств. Другой интересный материал для спинтроники – эпитаксиальная пленка из чередующихся слоев GaSb и GaMn. Магнитные свойства полученной пленки сохраняются вплоть до 130 °С, что вполне достаточно для применения их в устройствах спинтроники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических материалов. И здесь есть интересные открытия. В Калифорнийском университете (США) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62 °С вещество из прозрачного в ИК-диапазоне изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например, фотоники.

В университете штата Огайо был исследован пластик – тетрацианоэтанид ванадия. Несмотря на свою органическую природу, он имеет и магнитные свойства, сохраняющиеся вплоть до 130 °С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволит в будущем создавать дешевую пластиковую память. В перспективе спинтроника позволит осуществлять обработку и хранение информации в рамках одних и тех же устройств, что приведет как к росту быстродействия, так и к снижению энергопотребления. Создание быстродействующей энергонезависимой памяти MRAM поможет создавать компактные устройства, сочетающие большое время автономной работы с высокой производительностью. Интеграция достижений электроники и спинтроники может значительно продлить жизнь закону Мура и раскрыть новые горизонты в развитии современных компьютеров.

Нанофотоника

Фотоникапредставляет собой научно-техническое направление, включающее в себя фундаментальные и прикладные исследования явлений взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в веществе и создания на этой основе устройств для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Фотоника по существу является аналогом электроники, только вместо электронов в ней используются кванты электромагнитного поля – фотоны.

Основными объектами исследований фотоники являются:

• светодиоды на основе полупроводниковых гетеропереходов;

• светоизлучающие структуры на основе квантово-размерных слоев, квантовых нитей и квантовых точек;

• твердотельные и органические лазеры;

• высокочувствительные детекторы электромагнитного излучения;

• элементы солнечной энергетики;

• наноструктурированные оптические волокна и устройства на их основе;

• элементы нелинейной оптики;

• элементы обработки оптической информации на основе фотонных кристаллов.

Перспективным направлением миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы является использование т. н. фотонных кристаллов. Эти кристаллы представляют собой искусственные периодические наноструктуры, сформированные таким образом, что электромагнитные волны некоторых частот (или даже диапазонов частот) не могут в них распространяться ни в каком направлении. Например, на основе планарных фотонных кристаллов можно создать миниатюрные и очень эффективные нанорезонаторы, позволяющие локализовать мощные электромагнитные поля в очень малых объемах в течение длительного времени. Более того, возможны резонаторы, позволяющие «концентрировать» свет в воздухе; такие устройства могут служить весьма перспективным инструментом для изучения процессов взаимодействия света и вещества в нанометровом масштабе. Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов в настоящее время является одним из самых интересных направлений развития фотоники, представляющим большую практическую и научную ценность.

С развитием нанофотоники связывают перспективы работ по созданию оптических компьютеров, интенсивная разработка которых ведется с середины 1980-х годов. Сердцем таких компьютеров является оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Первый макет цифрового оптического устройства, способного выполнять логические операции с высоким быстродействием и малым потреблением энергии, создан в 1990 году в американской фирме «Белл». Принципиальным недостатком всех разработанных до настоящего времени вариантов оптических компьютеров была крайне низкая интегрируемость их отдельных компонентов, невозможность обеспечить эффективные сопряжения между матрицами преобразования и хранения информации и волноводами. Предполагается, что данная проблема может быть решена с помощью фотонных кристаллов, использование которых позволит создать полностью оптический процессор.