Hovedidéen i spinelektronikk er å benytte seg av spinnet til partikler, slik som elektroner, i stedet for deres elektriske ladning.

Illustrasjon av elektron med ladning og spinn. av Jacob Linder. CC BY SA 3.0

Spinnelektronikk, også kjent som spinntronikk, står for spinn-basert elektronikk og handler om hvordan spinnet (se figur) til primært elektroner og magnoner oppfører seg i faste stoffer. En form for spinntronikk-teknologi benyttes i lesehodet til harddisker i moderne datamaskiner, både av stasjonær og bærbar type. 

Innenfor spinntronikk er det særlig interesse for hvordan transport av spinn kan brukes i en ny type teknologi som kan komplementere eller erstatte elektronikk, hvor elektronets ladning benyttes istedet for dets spinn.

Spinn er en fundamental egenskap ved elektroner. 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 (TCurie). 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 90-tallet i forbindelse med spinn-overføring via elektriske strømmer.

Spinn-overføring forårsaker magnetiseringsdynamikk, hvilket betyr at de magnetiske momentene i et magnetisk materiale presesserer og ved sterk nok strøm kan bytte retning.

En voksende retning innenfor spinntronikk har i senere år vært å benytte seg av antiferromagnetiske materialer istedet for magnetiske materialer. Antiferromagnetiske materialer har 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 presessere 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 spintronikk, slik som domene-vegg bevegelse og magnetiseringsreversering.

Den mest kjente og utbredte anvendelsen av spinntronikk 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 denne effekten. Det har også blitt lagt frem forslag til såkalt «racetrack memory»-teknologi, hvor konseptet er å lagre informasjon gjennom domener i magnetiske ledninger.

  • T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley, J. Wunderlich. Antiferromagnetic spintronics. Nature Nanotechnology 11, 231 (2016).

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.