spinnelektronikk

Spinn er en fundamental egenskap ved elektroner, som vist i figuren. Matematisk sett beskrives spinn som en dreieimpuls. Dersom en partikkel i tillegg til spinn har elektrisk ladning, vil den også ha et magnetisk moment. Når spinnet til elektroner i et materiale spontant retter seg inn langs samme akse, så er materialet en ferromagnet. Dette skjer under en karakteristisk temperatur som kalles Curie-temperaturen ( T _Curie ). For temperaturer som er høyere enn Curie-temperaturen er spinnene uordnede, og da eksisterer det ikke noen netto magnetisering i materialet.

En av de mest sentrale effektene innenfor spinnelektronikk, som har vært med på å forme feltet i stor grad, er kjempemagnetoresistans-effekten. Denne effekten har en kvantemekanisk opprinnelse og oppstår blant annet i en lagdelt struktur bestående av to magnetiske materialer adskilt av et normalt metall. Når de magnetiske materialene har en magnetisering som peker i samme retning (parallell konfigurasjon), er resistansen til strukturen betydelig mindre enn når magnetiseringene peker i motsatt retning (antiparallell konfigurasjon).

De første studiene som tok for seg transport av spinn i materialer kombinerte superledere med magnetiske materialer. På 1980-tallet ble grunnleggende effekter som injeksjon av spinn fra et magnetisk materiale til et normalt metall samt kjempemagnetoresistans-effekten observert eksperimentelt. Oppdagelsen av den sistnevnte effekten ble tildelt Nobel-prisen i fysikk i 2007, og effekten er spesielt stor i lagdelte strukturer bestående av jern (Fe) og krom (Cr). Ytterligere teoretiske fremskritt ble gjort på midten av 1990-tallet i forbindelse med spinn-overføring via elektriske strømmer.

Spinn-overføring forårsaker magnetiseringsdynamikk, det vil si at de magnetiske momentene i et magnetisk materiale preseserer og ved sterk nok strøm kan bytte retning.

En voksende retning innenfor spinnelektronikk har i senere år vært å benytte seg av antiferromagnetiske materialer i stedet for magnetiske materialer. Antiferromagnetiske materialer har den fordelen at det ikke eksisterer noe netto magnetfelt som kan forstyrre andre magnetiske komponenter i nærheten, i motsetning til ferromagnetiske materialer. Til tross for mangelen på et netto magnetfelt, så kan det induseres dynamikk av spinnene i antiferromagneter som vil presesere med betydelig høyere frekvens enn i vanlige ferromagneter.

Spinn-bane-kobling i magnetiske materialer har også blitt predikert og eksperimentelt demonstrert som en kilde til bedre ytelse innenfor sentrale elementer av spinnelektronikk, slik som domene-vegg bevegelse og magnetiseringsreversering.

Den mest kjente og utbredte anvendelsen av spinnelektronikk er i form av kjempemagnetoresistans, som finner sted i lagdelte strukturer med to ferromagnetiske materialer. Denne effekten benyttes i lesehodet til harddisker i moderne datamaskiner, både av stasjonær og bærbar type.

Selskaper som Motorola og Everspin har også utviklet MRAM-teknologi (magnetoresistive random-access memory) som benytter seg av denne effekten.

Det har videre blitt lagt frem forslag til såkalt «racetrack memory»-teknologi, hvor konseptet er å lagre informasjon gjennom domener i magnetiske ledninger.

• spinn
• elektronikk