пятнадцать лет достигнут предела своих возможностей, поэтому именно сейчас необходимо искать иные физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низкими энергопотреблением и тепловыделением. В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется. Скорость изменения положения спина очень высока. Эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды).
Спинтроника уже принесла много благодатных плодов. Так, в прошлом году компания Motorola начала массовое производство спинтронных модулей памяти MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory – магниторезистивная память с произвольной выборкой). Главное отличие таких модулей – записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. MRAM уже нашла применение в сотовых телефонах, мобильных компьютерах, идентификационных картах. Кроме того, новую память используют военные для управления боевыми ракетами и для контроля за космическими станциями. Высокоточные угловые, позиционные и скоростные спиновые сенсоры широко используются в автомобильных агрегатах и механизмах – например, в антиблокировочной тормозной системе, известной водителям как ABS (Antilock Braking System), благодаря которой автомобиль сохраняет прямолинейное направление движения при торможении на скользком дорожном покрытии. Современную компьютерную, теле– и видеотехнику невозможно представить без спинтронных устройств. Помимо жестких дисков, достижения спинтроники можно найти в персональных видеорекордерах (тюнерах для захвата видеосигнала с аналоговых устройств), аппаратуре телевидения высокой четкости (HDTV), DVD-приводах с интерференцией в ближнем поле (near field recording, NFR) при записи.
Чего же нам ждать от спинтроники в ближайшее десятилетие? Специалисты выделяют три главных направления ее развития: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.
Для реализации квантового компьютера предполагается задействовать спины в полупроводниковых квантовых точках и ямах, которые называют спиновыми кубитами (квантовыми битами). Спиновый кубит может находиться в двух устойчивых состояниях, «спин-вверх» и «спин-вниз», соответствующих логическим '0' и '1' в классических компьютерах. Квантовый компьютер пока не создан, хотя его общая структура была предложена знаменитым физиком Ричардом Фейнманом (Richard Feynmann) еще в 1986 году (рис. 3). Основной частью компьютера является квантовый регистр – совокупность некоторого числа кубитов. При вводе информации в компьютер все кубиты регистра должны быть приведены в базовое состояние, соответствующее '0' или '1'. Такая операция называется инициализацией. После этого цепочка кубитов (данных) поступает в квантовый процессор, который выполняет последовательность квантовых логических операций. На выходе компьютера необходимо измерить состояния кубитов, проанализировать их на обычном компьютере и получить готовое решение. Помимо специальных задач моделирования квантовых объектов, квантовые компьютеры можно будет использовать для быстрого поиска в базах данных (в частности, в больших массивах Интернета) и в криптографии. Если верить прогнозам ученых, то работоспособная версия нового типа компьютеров будет готова к 2020 году.
Спиновый полевой транзистор SFET (spin field-effect transistor) как готовое устройство пока не создан, хотя схему и принцип его действия еще в 1990 году предложили Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das). Работа транзистора SFET основывается на эффекте магниторезистивного туннелирования спинов через прослойку изолятора, помещенную между слоями ферромагнитного металла. В таком устройстве носители (электроны с разными спинами) инжектируются («впрыскиваются») из магнитного истока (это может быть ферромагнитный металл либо магнитный полупроводник) к стоку, намагниченному в том же направлении, что и исток, через полупроводниковый канал. Если к затвору не приложено электрическое напряжение, то поляризованные носители доходят до стока и тем самым замыкают электрическую цепь, а такое состояние транзистора называют «открытым ключом». Если на затвор подать малое напряжение, то носители начнут взаимодействовать с электрическим полем, что приведет к прецессии спинов. При определенном напряжении спины развернутся в сторону, противоположную намагниченности стока. Такое состояние соответствует «закрытому ключу», так как спины не проходят через сток. Два состояния спинового транзистора – открытый и закрытый – можно сопоставить с логическим '0' и '1' бита информации.
Первые попытки создания спинового транзистора, в котором в качестве инжектора спинов использовались ферромагнитные контакты из железа, никеля и кобальта, потерпели крах. Все дело в том, что такой способ «впрыска» спинов через границу ферромагнитный металл/полупроводник малоэффективен (число поляризованных спинов всего около 1%) из-за большого различия в их проводимостях. Как же доставить в полупроводник возможно большее число поляризованных спинов? Ученые быстро нашли ответ: нужно создавать новый класс материалов – магнитные полупроводники, которые, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов (спины выстроены в выбранном направлении), а с другой – легко интегрировались с традиционными полупроводниковыми устройствами. На текущий момент такие магнитные полупроводники уже существуют, например GaMnAs и Cd1–xMnxGeP2, и на их основе осуществляются попытки создания спиновых устройств. Как только будет налажено промышленное производство спиновых транзисторов, сразу же возрастет быстродействие, уменьшится энергопотребление и тепловыделение построенных на их основе микропроцессоров (которые, возможно, к тому времени назовут нанопроцессорами).
Однако самое перспективное и самое близкое сегодня к техническому воплощению спиновое устройство – спиновая память. Как вы уже поняли, для управления спином используется магнитное поле. А если спинов миллионы и каждому нужен «индивидуальный подход»? Очень трудно представить модуль памяти, содержащий миллионы наномагнитов, которые к тому же еще и не взаимодействуют друг с другом. Есть ли альтернативное решение проблемы? Да есть, и решение это подсказано более полувека назад самим Эйнштейном. Великий ученый предположил, что для быстро движущегося электрона электрическое поле будет выглядеть как магнитное. Буквально полтора года назад физики подтвердили эту гипотезу, взяв два различных по составу полупроводника и образовав из них единую структуру путем напыления в вакууме. В результате в структуре возникают внутренние механические напряжения, приводящие к появлению электрического поля, которое и становится движущей силой для электронов. Чем сильнее электрическое поле, тем больше эффективное магнитное поле, заставляющее быстрее прецессировать спины электронов. Это говорит о том, что у нас появляется возможность управлять углом наклона спинов или, иначе говоря, их фазой (направлением спина). Другими словами, направление спина необязательно принимает два фиксированных положения, соответствующих логическим '0' и '1' в классических бинарных компьютерах, а может иметь и промежуточные фазы. То есть спинтроника позволяет перейти от битов к так называемым фитам, фазовым числам, способным принимать больше значений. Представим себе модуль памяти, в котором группы спинов направлены на север, юг, восток, запад, северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад. Всего восемь направлений, соответствующих восьми фитам: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Чем точнее мы определим фит, тем большей плотности записи информации сможем достигнуть. Уже существует ряд методов точного определения фазового угла спинов, и можно ожидать, что сверхплотная, энергонезависимая и сверхбыстродействующая память не за горами.
Вполне возможно, через десять-пятнадцать лет новая область науки – спинтроника – будет так же важна, как сегодня важна электроника. Итак, да здравствует Её Величество Спинтроника!
СОБЫТИЯ:'Спинометр' зашкаливает
В политическом жаргоне США и других англоязычных стран давно закрепился занятный термин «spin doctor», смысл которого политкорректные словари переводят как «специалист, препарирующий информацию в выгодном для себя и своей партии духе и преподносящий ее СМИ под нужным углом зрения». Если же принимать в расчет контекст, в котором обычно используется этот термин, то перевод будет гораздо проще – «мастер вранья». Можно даже сказать, что грубый перевод более адекватен, поскольку сам термин произошел от выражения «spin yarn», в исходном смысле означающего «прясть пряжу», а в переносном «плести небылицы».
Столь пространное политико-лингвистическое вступление понадобилось по той причине, что без него
