Spintronics, qui signifie l'électronique de transport de spin, représente un changement dans la façon dont les appareils électroniques traitent l'information. spin Cette approche ouvre la porte à des appareils plus rapides, moins puissants et moins puissants, et stocke des données sans alimentation électrique constante. L'électronique traditionnelle au silicium approche des limites fondamentales, la spintronics offre un chemin prometteur pour les technologies informatiques, de mémoire et de détection de prochaine génération.

Les fondamentaux de la spintronics

Pour comprendre la spintronics, il faut d'abord saisir la différence entre la charge et la spin. Dans l'électronique conventionnelle, l'information est codée par la présence ou l'absence de charge — un flux d'électrons qui représente 1s et 0s. Spintronics ajoute un autre degré de liberté: la spin de l'électron. Spin est un élan angulaire intrinsèque qui donne aux électrons un petit champ magnétique. Les spins d'électrons peuvent être orientés vers le haut ou vers le bas, ce qui correspond à deux états distincts.

Polarisation et injection de spin

Pour que les effets spintroniques se produisent, il faut créer une polarisation nette du spin, ce qui signifie que plus d'électrons ont leurs spins alignés dans une direction que dans la direction opposée. Ceci peut être obtenu à l'aide de matériaux ferromagnétiques. injection de spin, est la première étape dans de nombreux appareils spintronic .

Une fois injecté, l'orientation du spin peut être maintenue sur certaines distances et temps — une propriété appelée longueur de cohérence du spin et durée de vie. Les matériaux à longue durée de vie de spin sont souhaitables parce qu'ils permettent de transporter et de manipuler les spins de façon fiable. Après avoir voyagé à travers un appareil, l'orientation de spin est détectée par une deuxième couche ferromagnétique, qui agit comme un filtre de spin. La différence de courant de sortie entre les alignements de spin parallèles et antiparallèles forme la base de lecture spintronique.

Magnétorésistance géante (GMR)

La découverte de la magnétorésistance géante (GMR) en 1988 est souvent considérée comme la naissance de spintronics modernes. La GMR se produit dans des structures à film mince composées de couches alternées ferromagnétiques et non magnétiques. Lorsque les couches magnétiques sont alignées, la résistance électrique est faible; lorsqu'elles sont anti-alignées, la résistance est élevée. Cet effet est beaucoup plus grand que la magnétorésistance ordinaire et peut être accordé par un champ magnétique externe ou par la polarisation spin des courants injectés.

Magnétorésistance au tunnel (TMR)

Un effet étroitement apparent est la magnétorésistance du tunnel (TMR), qui se produit dans les jonctions de tunnel magnétique (MTJs). Un MTJ se compose de deux couches ferromagnétiques séparées par une barrière isolante mince. Le tunnel d'électrons à travers cette barrière, et la probabilité de tunnelation dépend de l'orientation relative des magnétisations. Les valeurs de TMR peuvent être beaucoup plus élevées que GMR, faisant de MTJs le noyau de la mémoire magnétique moderne d'accès aléatoire (MRAM). Rapport de magnétorésistance du tunnel (Ratio MTR).

Appareils Spintronics Clés

Valves de spin et jonctions magnétiques dans le tunnel

Une valve de spin est une structure en couches qui utilise la GMR ou la TMR pour détecter les champs magnétiques. Elle comprend généralement deux couches ferromagnétiques : une avec une magnétisation fixe (couche de pilon) et une qui peut tourner librement (couche de pilon libre). La résistance change lorsque la couche de pilon s'aligne ou s'oppose à la couche de pilon.

Les jonctions magnétiques de tunnel (MTJ) sont similaires mais utilisent une barrière isolante au lieu d'un espaceur métallique. Elles offrent une sensibilité plus élevée et sont le fondement des cellules de la RAM. couple de rotation-transfert (STT). STT permet l'écriture électrique directe des bits magnétiques, éliminant le besoin de champs magnétiques externes et réduisant la consommation d'énergie.

Torque de transfert de spin (MRAM-STT)

STT-MRAM est un type de mémoire non volatile qui combine la vitesse de SRAM avec la densité de DRAM et la non-volatilité de la mémoire flash. Chaque cellule de mémoire est constituée d'un MTJ et d'un transistor sélectionné. L'écriture se fait en passant un courant à travers le MTJ : une polarité commute la couche libre à un état parallèle (faible résistance, représentant un 0), et la polarité opposée le bascule à un état antiparallèle (haute résistance, représentant un 1). La lecture se fait en appliquant un petit courant qui ne dérange pas l'état.

STT-MRAM offre plusieurs avantages : il est rapide (temps de commutation inférieur à 10 nanosecondes), conserve des données sans puissance, dure plus de 1015 Les principaux fabricants de semi-conducteurs comme Samsung, TSMC et Intel intègrent STT-MRAM dans la mémoire intégrée et les produits autonomes.

Torque spin orbitale (MRAM-SOT)

Une variante plus récente est le couple spin-orbite (SOT) RAM, qui sépare les chemins de lecture et d'écriture pour une meilleure fiabilité. Dans le SOT-MRAM, un courant circule à travers une couche de métal lourd sous le MTJ, générant un courant spin via l'effet spin Hall. Ce courant spin exerce un couple sur la couche libre, changeant sa magnétisation. Parce que le courant d'écriture circule dans un autre chemin que le courant de lecture, la barrière MTJ n'est jamais stressée pendant l'écriture, ce qui entraîne une plus grande endurance et un fonctionnement plus rapide.

Transistors de spin et appareils logiques

Les chercheurs explorent des transistors à base de spin qui utiliseraient des états de spin plutôt que de charge pour effectuer des opérations logiques. Un transistor à effet de spin (spin FET), proposé par Datta et Das en 1990, utilise un champ électrique pour manipuler l'orientation de spin des électrons dans un canal semi-conducteur. En contrôlant la précession de spin via l'effet Rashba, le transistor peut être activé entre les états et hors fonction sans déplacer de grandes quantités de charge.

Les autres approches logiques comprennent la logique de tous les axes (ASL) et la logique de murs de domaines magnétiques. Dans l'ASL, l'information est portée par les courants de spin plutôt que par les courants de charge, et les portes logiques sont construites à l'aide de ferroaimants et d'interconnexions non magnétiques.

Applications dans l'électronique de prochaine génération

Mémoire magnétique à accès aléatoire (MRAM)

Le RAMM est l'application spintronic la plus mature. Il est déjà utilisé comme mémoire non volatile intégrée dans les microcontrôleurs et comme puces autonomes pour les applications industrielles et automobiles. La non-volatilité du RAMM signifie que les appareils peuvent fonctionner complètement entre les opérations, économiser l'énergie dans les applications comme les capteurs IoT, les cartes à puce et l'informatique de bord.

Calcul quantitatif

La spintronics se connecte directement au calcul quantique car les spins d'électrons peuvent être utilisés comme qubits. Le spin d'un seul électron dans un point quantique ou un centre de défaut (comme un centre de vide d'azote dans le diamant) peut représenter un qubit. Ces qubits de spin ont de longs temps de cohérence, ce qui signifie qu'ils peuvent maintenir leur état quantique pendant des périodes relativement longues. Ils peuvent être manipulés à l'aide d'impulsions micro-ondes et couplés par des interactions spin-spin.

Capteurs magnétiques

Les capteurs spintroniques, en particulier ceux basés sur la GMR et la TMR, sont extrêmement sensibles aux champs magnétiques. Ils sont utilisés dans les têtes de lecture de disque dur, comme mentionné, mais aussi dans les capteurs de vitesse et de position automobile, les capteurs de courant et les diagnostics biomédicaux. Par exemple, les capteurs TMR peuvent détecter les champs magnétiques faibles produits par l'activité neuronale, permettant des systèmes de magnétoencéphalographie (MEG) plus compacts et moins chers que les capteurs supraconducteurs conventionnels.

Logique et informatique économes en énergie

Spintronics offre un chemin vers des circuits logiques ultra-faible puissance. Parce que le changement de spin peut être accompli avec de petits courants ou tensions, et parce que les dispositifs de spin peuvent garder l'état sans puissance, ils sont idéaux pour les systèmes à énergie contrainte. Les groupes de recherche développent des portes logiques basées sur spin, des registres de décalage et des éléments de calcul neuromorphes qui imitent les synapses et les neurones en utilisant des murs de domaine magnétique ou des skyrmions.

Électronique souple et imprimée

Certains semi-conducteurs organiques présentent un transport par spin à température ambiante, permettant des dispositifs spintroniques tout-organiques légers et courbés. Ces systèmes sont encore à l'étape initiale, mais ils illustrent la polyvalence des approches basées sur spin.

Défis et orientations actuelles de la recherche

Ingénierie des matériaux et des interfaces

L'un des plus grands obstacles est de trouver des matériaux qui maintiennent la polarisation de spin élevée et de longues durées de rotation à la température ambiante. ferromagnétiques semi-métalliques (par exemple, alliages de Heusler), isolateurs topologiqueset Matériaux 2D Ces matériaux peuvent présenter une polarisation de spin de près de 100 % ou un couplage spin-orbite fort, permettant une génération et une détection efficaces de spin.

Efficacité de l'injection de spin

Les spins d'un ferroaimant dans un semi-conducteur ou un autre matériau non magnétique souffrent souvent d'un mauvais ajustement de la conductivité et de la relaxation de spin à l'interface. Cette inadéquation de conductance réduit le courant de spin qui peut être injecté. injection de spin dans le graphine a montré des résultats prometteurs, avec des durées de rotation supérieures à microsecondes à température ambiante.

Intégration avec CMOS

Pour être commercialement viables, les dispositifs spintronic doivent être compatibles avec les procédés de fabrication CMOS existants. Le MMAM a déjà réussi en ajoutant quelques couches de masque supplémentaires dans un processus back-end-of-line. Cependant, les dispositifs logiques spintronics plus exotiques nécessiteront de nouveaux matériaux et des étapes de traitement qui ne doivent pas dégrader les performances des transistors conventionnels.

Écailabilité et variabilité

La stabilité thermique doit rester suffisamment élevée pour empêcher les changements accidentels, mais le courant de commutation doit être suffisamment faible pour l'efficacité énergétique. De nouveaux mécanismes de commutation comme le couple spin-orbite et l'anisotropie magnétique à commande de tension (VCMA) sont en cours de développement pour obtenir une meilleure évolutivité.

L'avenir de la spintronics

Spintronics n'est plus une curiosité de laboratoire. Il a déjà remodelé le stockage de données à travers GMR et RAM, et son influence est en croissance. Au cours de la prochaine décennie, nous pouvons nous attendre à ce que RAM devienne une technologie de mémoire mainstream, remplaçant progressivement flash et même certains SRAM dans des applications spécifiques.

Les domaines émergents comprennent : spintronics antiferromagnétiques, qui utilise des matériaux antiferromagnétiques robustes contre les champs magnétiques externes et qui fonctionnent aux fréquences térahertz. Céréales — l'étude de textures de spins topologiques, appelées skyrmions, pourrait permettre la mémoire de la piste et l'informatique neuromorphe. Caloritronics spin combine le transport de spin et de chaleur, permettant éventuellement la conversion de la chaleur résiduelle en courants de spin pour la récolte d'énergie.

La convergence de la spintronics avec l'informatique quantique, l'ingénierie neuromorphe et l'électronique flexible suggère que les appareils à base de spin joueront un rôle majeur dans le paysage électronique du milieu du 21e siècle. Le voyage de la physique fondamentale aux produits pratiques a été remarquable, et le potentiel de spintronics reste vaste.

Pour plus de détails sur les principes de spintronics et les développements récents, voir le Aperçu Wikipédia, les IBM Recherche page spintronicset les IEEE Spectrum spintronics sujet archive. Pour une plongée profonde dans la technologie de RAM, Couverture d'AnandTech offre des perspectives pratiques.