La espionología, que representa la electrónica de transporte de giro, representa un cambio en cómo los dispositivos electrónicos manejan la información. En lugar de confiar únicamente en el movimiento de carga eléctrica, la esptrónica utiliza la propiedad cuántica de electrones spin y el momento magnético asociado. Este enfoque abre la puerta a dispositivos que son más rápidos, usan menos energía y almacenan datos sin un suministro eléctrico constante. Como la electrónica tradicional basada en el silicio acerca límites fundamentales, la esptrónica ofrece un camino prometedor para las tecnologías de informática, memoria y detección de próxima generación.

Fundamentos de la espinatónica

Para entender la espionología, primero se debe captar la diferencia entre la carga y la espina dorsal. En la electrónica convencional, la información está codificada por la presencia o ausencia de carga — efectivamente un flujo de electrones que representa 1s y 0s. Spintronics añade otro grado de libertad: la columna vertebral del electrón. Spin es un impulso intrínseco que da a los electrones un pequeño campo magnético.

Polarización de la columna y inyección

En un material metálico o semiconductor típico, los giros electrones se orientan aleatoriamente. Para efectos espintrónicos que se produzcan, se debe crear una polarización de giros netos, lo que significa que más electrones tienen sus giros alineados en una dirección que en la dirección opuesta. Esto se puede lograr utilizando materiales ferromagnéticos. Cuando una corriente fluye de un ferromagnet en un material no magnético, los electrones llevan su orientación de giro conocidos. inyección de columna, es el primer paso en muchos dispositivos esprótricos.

Una vez inyectada, la orientación de la columna puede mantenerse a través de ciertas distancias y tiempos, una propiedad llamada longitud de la coherencia de las columnas y vida. Los materiales con largas vidas de giro son deseables porque permiten que los giros sean transportados y manipulados de forma fiable. Después de viajar a través de un dispositivo, la orientación de la columna es detectada por una segunda capa ferrognetica, que actúa como filtro de giro. La diferencia en la corriente de salida entre alineaciones de giro paralelas y antiparalelos forma la base de la lectura espinatrónica.

Giant Magnetoresistance (GMR)

El descubrimiento de la magnetoresistencia gigante (GMR) en 1988 se atribuye a menudo como el nacimiento de la espinatrónica moderna. GMR se produce en estructuras de carga fina compuestas de capas ferromagnéticas alternas y no magnéticas. Cuando las capas magnéticas están alineadas, la resistencia eléctrica es baja; cuando están anti-alignadas, la resistencia es alta.

Magnetoresistencia de túnel (TMR)

Un efecto estrechamente relacionado es la magnetoresistencia del túnel (TMR), que se produce en las uniones del túnel magnético (MTJs). Un MTJ consiste en dos capas ferromagnéticas separadas por una barrera del aislamiento delgado. El túnel de electrones a través de esta barrera, y la probabilidad de túnel depende de la orientación relativa de las magnetizaciones. Los valores TMR pueden ser mucho más altos que los estados GMR, haciendo que MTJs el núcleo de la resistencia al azaral relación de magnetoresistencia túnel ( ratio de RTM).

Dispositivos Spintronic clave

Válvulas de giro y uniones de túnel magnético

Una válvula de giro es una estructura capa que utiliza GMR o TMR para percibir campos magnéticos. Normalmente comprende dos capas ferromagnéticas: una con una magnetización fija (capa recubierta) y una que puede girar libremente (capa libre). La resistencia cambia a medida que la capa libre se alinea o se opone a la capa fija. Las válvulas de giro se utilizan ampliamente en sensores de campo magnético y cabezas de lectura de disco duro.

Las uniones magnéticas de túnel (MTJ) son similares pero usan una barrera aislante en lugar de un espaciadora metálica. Ofrecen mayor sensibilidad y son la base de las células MRAM. En un MTJ, la capa libre se puede cambiar entre dos estados mediante la aplicación de una corriente de poliarización de la columna — un mecanismo conocido como spin-transfer torque (STT). STT permite la escritura eléctrica directa de bits magnéticos, eliminando la necesidad de campos magnéticos externos y reduciendo el consumo de energía.

Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM)

STT-MRAM es un tipo de memoria no volátil que combina la velocidad de SRAM con la densidad de DRAM y la no volatilidad de la memoria flash. Cada célula de memoria consiste en un MTJ y un transistor selecto. La escritura se hace pasando una corriente a través del MTJ: una polaridad cambia la capa libre a un estado paralelo (bajo resistencia, representando un 0), y la polaridad opuesta lo cambia a un antiparaleo

STT-MRAM ofrece varias ventajas: es rápido (tiempos de recortar por debajo de 10 nanosegundos), conserva datos sin poder, soporta más de 1015 Los principales fabricantes de semiconductores como Samsung, TSMC e Intel están integrando STT-MRAM en la memoria integrada y productos independientes.

MRAM de Torque de Orbita (SOT-MRAM)

Una variante más reciente es el par de giro-orbit (SOT) MRAM, que separa las vías de lectura y escritura para mejorar la fiabilidad. En SOT-MRAM, una corriente fluye a través de una capa de metal pesado debajo del MTJ, generando una corriente de giro a través del efecto de la médula espinal. Esta corriente de giro ejerce un par en la capa libre, cambiando su magnetización.

Transistores de giro y dispositivos lógicos

Los investigadores están explorando transistores basados en la columna que utilizarían estados de giro en lugar de realizar operaciones lógicas. Un transistor de efectos de campo de giro (FET de la columna), propuesto por Datta y Das en 1990, utiliza un campo eléctrico para manipular la orientación de la columna de electrones en un canal semiconductor. Al controlar la precesión de la columna a través del efecto RashbaMOS, el transistor puede ser conmutado menos cargado de los estados sin mover los grandes cantidades de tensión.

Otros enfoques lógicos incluyen lógica de todo tipo (ASL) y lógica de paredes de dominio magnético. En ASL, la información se lleva por corrientes de giro en lugar de cargar corrientes, y las puertas lógicas se construyen utilizando ferromagnetes y interconexiones no magnéticos. Mientras que todavía en la fase de investigación, estos conceptos prometen una computación de potencia ultra-bajo.

Aplicaciones en Electrónica de próxima generación

Memoria de éxito aleatorio magnético (MRAM)

MRAM es la aplicación spintrónica más madura. Ya está en uso comercial como memoria no volátil incrustada en microcontroladores y como chips independientes para aplicaciones industriales y automotrices. La no volatilidad de MRAM significa que los dispositivos pueden encenderse completamente entre operaciones, ahorrando energía en aplicaciones como sensores de IoT, tarjetas inteligentes y computación de bordes.

Computación cuántica

La espinatónica se conecta directamente a la computación cuántica porque los giros electrones pueden utilizarse como codos. La columna vertebral de un solo electrón en un punto cuántico o un centro de defecto (como un centro de nitrógeno-vacancia en diamantes) puede representar un codo. Estos codos de giro tienen tiempos de coherencia largos, lo que significa que pueden mantener su estado cuántico durante períodos relativamente largos.

Sensores magnéticos

Los sensores espinos, en particular los basados en GMR y TMR, son extremadamente sensibles a los campos magnéticos. Se utilizan en cabezas de lectura de disco duro, como se mencionó, pero también en sensores de velocidad y posición automotrices, sensores actuales y diagnósticos biomédicos. Por ejemplo, los sensores TMR pueden detectar los campos magnéticos débiles producidos por la actividad neuronal, permitiendo sistemas de superconductos de magnetouterina (MEG) más compactos y menos costosos.

Logic y computación eficientes en la energía

Spintronics ofrece un camino a circuitos lógicos ultra-bajo-poder. Debido a que el cambio de giro puede realizarse con pequeñas corrientes o voltajes, y porque los dispositivos de giro pueden retener el estado sin energía, son ideales para sistemas con entrenamiento energético. Los grupos de investigación están desarrollando puertas lógicas basadas en la columna, registros de cambios y elementos de computación neuromorfós que imitan sinapsis y neuronas usando paredes de dominio magnético o fracciones.

Electrónica flexible e impresa

Los materiales espinosos también pueden depositarse en sustratos flexibles, abriendo posibilidades para sensores desgañados, pantallas flexibles y embalaje inteligente. Algunos semiconductores orgánicos exhiben transporte de giro a temperatura ambiente, permitiendo dispositivos espintrónicos todo-orgánicos que son ligeros y flexibles. Estos sistemas siguen siendo de etapa temprana, pero ilustran la versatilidad de los enfoques basados en la columna.

Desafíos y direcciones de investigación actuales

Ingeniería de materiales e interfaces

Uno de los mayores obstáculos es encontrar materiales que mantienen la polarización de alta columna y largas vidas de giro a temperatura ambiente. Muchos materiales de alta calidad spintronic, como semiconductores ferromagnéticos, trabajan sólo a temperaturas criogénicas. ferromagnetes mediometálicos (por ejemplo, aleaciones de Heusler) insuladores topológicos, y Materiales 2D como grafino y metal de transición dichoslcogenides. Estos materiales pueden exhibir cerca del 100% de polarización de giro o acoplamiento fuerte de giro-orbito, permitiendo una generación eficiente de giro y detección.

Eficiencia de inyección de espina dorsal

Los giros inyectables de un ferromagnet en un semiconductor u otro material no magnético suelen sufrir de un desajuste en la conductividad y la relajación de la columna en la interfaz. Este desajuste de la conductividad reduce la corriente de la columna que se puede inyectar. Las soluciones incluyen el uso de barreras túnel, dopa pesada o materiales magnéticos con polarización de alta columna. inyección de la columna a través del grafeno ha demostrado resultados prometedores, con vida útil de la columna superando microsegundos a temperatura ambiente.

Integración con CMOS

Para ser comercialmente viables, los dispositivos spintrónicos deben ser compatibles con los procesos de fabricación CMOS existentes. MRAM ya lo ha logrado agregando unas pocas capas de máscara extra en un proceso de back-end-of-line. Sin embargo, los dispositivos de lógica spintónica más exóticos requerirán nuevos materiales y pasos de procesamiento que no deben degradar el rendimiento de los transistores convencionales.

Escalabilidad y variabilidad

Como las dimensiones del dispositivo se reducen a la escala del nanometro, controlar las propiedades magnéticas de cada bit se vuelve más difícil. La estabilidad térmica debe permanecer lo suficientemente alta como para evitar el cambio accidental, sin embargo la corriente de conmutación debe ser lo suficientemente baja para la eficiencia energética. Nuevos mecanismos de conmutación como par de giros y anisotropía magnética controlada por tensión (VCMA) están siendo desarrollados para lograr una mejor escalabilidad.

El futuro de la espinatónica

La espionología ya no es una curiosidad de laboratorio. Ya ha reenconado el almacenamiento de datos a través de GMR y MRAM, y su influencia está creciendo. En la próxima década, podemos esperar que MRAM se convierta en una tecnología de memoria dominante, reemplazando gradualmente el flash e incluso algún SRAM en aplicaciones específicas. La lógica basada en la columna puede tardar más en comercializarse, pero varias startups y consorcios de investigación están trabajando en circuitos prototipos.

Entre las nuevas esferas figuran las esprótrico antiferromagnético, que utiliza materiales antiferromagneticos que son robustos contra campos magnéticos externos y operan en frecuencias de terahertz. Skyrmionics — el estudio de las texturas de giro protegidas topológicamente llamadas skyrmions— podría permitir la memoria de la pista de carreras y la computación neuromorférica. Gire calorías combina el transporte de espinas y calor, permitiendo que el calor de desperdicios se convierta en corrientes de espina dorsal para la cosecha de energía.

La convergencia de esprótónicas con computación cuántica, ingeniería neuromorfónica y electrónica flexible sugiere que los dispositivos basados en la columna desempeñarán un papel importante en el paisaje electrónico del siglo XXI. El viaje desde la física fundamental a los productos prácticos ha sido notable, y el potencial de la esptrónica sigue siendo vasto.

Para más información sobre los principios de la espinatrónica y los recientes acontecimientos, vea Resumen de Wikipedia, el IBM Research spintronics page, y el Archivo de temas de la espinatrónica de IEEE. Para una profunda inmersión en la tecnología MRAM, Cobertura de AnandTech ofrece información práctica.