Spintronika oparta na krzemie rozszerza zakres aktualnej technologii półprzewodnikowej
Współczesne urządzenia elektroniczne działają dzięki ujemnie naładowanym elektronom płynącym w postaci prądu elektrycznego. O ile w aktualnie stosowanych tranzystorach przepływ lub brak prądu oznacza odpowiednio 1 lub 0, to w urządzeniach spintronicznych 1 i 0 reprezentowane są przez odpowiedni kierunek spinu. Oprócz ładunku elektrycznego spintronika wykorzystuje własności spinu elektronów w celu uzyskania większej prędkości przesyłu danych i zwiększenia pojemności pamięci. Krzem, grafen, german i izolatory topologiczne to obiecujące materiały do urządzeń spintronicznych ze względu na zdolność przenoszenia spinu w temperaturze pokojowej przy dużych długościach dyfuzji. Materiały te mogą zachowywać stan spinu elektronu (orientację) przez kilka mikrometrów, co ma istotne znaczenie dla kwantowego przechowywania i przetwarzania informacji. Finansowany ze środków UE projekt SILICONSPIN (Spin transport in silicon nanodevices) umożliwił zbadanie podstawowych zasad fizycznych dotyczących generowania spinu, manipulowania nim i przenoszenia w tych materiałach oraz przez bariery tunelowe. Naukowcy posłużyli się różnymi zaawansowanymi technikami tworzenia polaryzacji spinu w krzemie i germanie w temperaturze pokojowej. Wykorzystanie elektrod ferromagnetycznych do wykrywania spinu pozwoliło na dokonanie ogromnych postępów w magnetorezystancji tunelowej, wydłużenie żywotności spinu i zwiększenie akumulacji spinu. Dzięki użyciu dwuwymiarowego izolującego heksagonalnego azotku boru (h-BN) jako bariery tunelowej w magnetycznym złączu tunelowym, zespół dokonywał iniekcji prądu o spolaryzowanym spinie z elektrody ferromagnetycznej do krzemu. W ten sposób generowano prądy płynące w tych samych, jak i przeciwnych kierunkach. Oprócz wykorzystania elektrod ferromagnetycznych do iniekcji polaryzacji spinu w krzemie uczeni posłużyli się też nagrzewaniem krzemu i metodami dynamicznymi. Przy pomocy tych metod naukowcom udało się po raz pierwszy uzyskać akumulację spinu w czasie oraz pompowanie spinu w krzemie. Innym zadaniem projektu SILICONSPIN było zbadanie transportu spinu na grafenie w temperaturze pokojowej. Osadzając grafen na podłożu z krzemu lub dwutlenku krzemu, zespół uzyskał duże długości dyfuzji i długie czasy życia spinów, rzędu kilku nanosekund. Także w tym przypadku uczeni posłużyli się h-BN jako barierą tunelową w magnetycznym złączu tunelowym i uzyskali wyższy stopień polaryzacji spinu. Wykorzystanie prądów spinów elektronów do przetwarzania informacji uważane jest za "świętego Graala" spintroniki półprzewodnikowej, ponieważ pozwala na budowę urządzeń o większej sprawność i mniejszym poborze mocy, a dodatkowo umożliwia uniknięcie nagromadzania się ciepła. Generowanie i modulowanie prądu spinowego w półprzewodnikach może doprowadzić do powstania urządzeń spintronicznych o nowych funkcjach.
Słowa kluczowe
Krzem, spintronika, półprzewodnik, grafen, transport spinu, SILICONSPIN
