Основы спинтроники

Спин-поляризованный электрический ток и спин-ток

Тот факт, что при протекании спин-поляризованного электрического тока одновременно происходит и перенос спинов, а, следовательно, и намагниченности, означает возможность перемагничивания ферромагнитного слоя при пропускании спин-поляризованного электрического тока. Экспериментальная структура, демонстрирующая такую возможность, состоит ( рис. 1.12 ) из нанесенного на подложку "свободного" ферромагнитного слоя (СФМ), на левом и на правом концах которого нанесены участки "фиксированного" ферромагнитного слоя.

Слева этот слой (ФФ1) постоянно намагничен вертикально вниз, а справа (ФФ2) – вертикально вверх (направления намагниченности показаны белыми стрелками). Соответственно намагничиваются и расположенные под ними области "свободного" слоя. Между "свободным" и магнитожестким "фиксированным" слоем нанесен промежуточный слой (ПС). Все слои являются электропроводящими.

Над участками "фиксированного"" слоя сформированы электроды (Эл1 и Эл2). Если со стороны электрода Эл2 пропускать электрический ток i справа налево ( рис. 1.12,а ), то электроны в "свободном" слое движутся слева направо. Поскольку большинство из них, выходя из ФФ1, имеет спин, направленный вниз, то они переносят и направленный вниз магнитный момент, в результате чего область "свободного" слоя между ФФ1 и ФФ2 намагничивается вниз. Физически это выглядит как движение направо междоменной стенки ДС. Если же пропускать электрический ток i со стороны электрода Эл1 слева направо ( рис. 1.12,б ), то электроны через "свободный" слой движутся справа налево. Поскольку большинство из них имеет спин, направленный вверх, то они переносят и направленный вверх магнитный момент, в результате чего область "свободного" слоя между ФФ1 и ФФ2 перемагничивается также вверх. Физически это выглядит как движение междоменной стенки (ДС) влево.

Такой способ записи информации в магнитную ячейку памяти на английском языке называют "spin-torque-transfer" – STT. Мы называем его спин-транспортным перемагничиванием (СТП) . Оно позволяет на порядок уменьшить ток записи в магниторезистивную оперативную память и значительно уменьшить площадь магниторезистивных ячеек. Об этом мы расскажем в следующей лекции.

"Чистый" спин-ток. Спин-движущая сила

Спин-поляризованный электрический ток переносит одновременно и электрический заряд, и спин. А возможен ли "чистый" спин-ток, который переносит спин, но не переносит электрический заряд? Один из теоретически возможных вариантов получения такого тока показан на рис. 1.13 .

Это – изображение ферромагнитной структуры в плане. Светло-серым цветом показаны участки "свободного" ферромагнетика. Темные квадратики – это участки "фиксированного" ферромагнетика, нанесенные поверх "свободного". Между этими ферромагнитными слоями созданы туннельные переходы из сверхтонкого диэлектрика. Направления постоянной намагниченности участков "фиксированного" ферромагнетика показаны белыми стрелками.

Если на магнитные туннельные переходы подать электрическое напряжение, то через них потечет электрический ток: – от участка C к участку D и – от участка A к участку B, так как для этих токов туннельные переходы "открыты". А вот для тока от участка A к участку D туннельный переход закрыт (из-за противоположной намагниченности участка D). Аналогично закрыт для тока туннельный переход к участку B от участка C. Поскольку все элементы схемы идентичны, то эти токи одинаковы по величине, но противоположно направлены ( ). Поэтому на участке EF суммарный электрический ток равен нулю (). А вот спин-токи сонаправлены. Току согласно (1.7) соответствует магнитный спин-ток и току согласно (1.8) – магнитный спин-ток . Суммарный спин-ток (если считать направление вправо положительным)

Следовательно, сквозь участок EF будет протекать "чистый" спин-ток, переносящий спин и магнитный момент от E к F, но не переносящий электрический заряд.

Продолжим наш анализ дальше и рассмотрим ситуацию с другой стороны. Поскольку на участке EF электрический ток равен нулю, то от туннельного перехода A электрический ток течет в туннельный переход D. Электроны движутся в противоположном направлении. Из туннельного перехода D в участок AD проходят электроны, спины которых в основном направлены вверх, а через туннельный переход A из этого участка выходят электроны, спины которых в основном направлены вниз. В результате в окрестности точки E концентрация электронов со спином вверх возрастает, а концентрация электронов со спином вниз уменьшается. Аналогичные, но противоположные, процессы проходят и на участке СВ. В результате в окрестности точки F концентрация электронов со спином вверх уменьшается, а концентрация электронов со спином вниз возрастает. Это приводит к тому, что от точки Е (область с большей концентрацией) к точке F (область с меньшей концентрацией) происходит диффузия электронов со спином вверх, а в противоположном направлении диффундируют электроны со спином вниз. Отсюда вытекает важный вывод: "чистый" спин-ток, возникает тогда, когда в ферромагнитном проводнике появляется перепад или градиент концентрации спин-ориентированных электронов.

Этот вывод справедлив и для не ферромагнитных проводников, что показывает следующий опыт ( рис. 1.14 ). На поверхности медной шины (Cu) сформированы ферромагнитные элементы (ФМ1 и ФМ2), а на них нанесены золотые электроды (Аu). Отметим, что этот опыт лучше всего удается лишь тогда, когда все три металлических слоя (медь, пермаллой и золото) наносят последовательно в одном и том же высоком вакууме. Лишь при этих условиях удается обеспечить высокое качество контактов. Когда эти слои наносят в разных вакуумных циклах, опыт удается плохо, так как в контактах появляются окислы и посторонние примеси, которые значительно ухудшают условия инжекции спин-поляризованных электронов. С помощью источника напряжения (U₁) через ферромагнитный элемент ФМ1 пропускают электрический ток. Электроны движутся навстречу току, поэтому из ферромагнитного элемента ФМ1 в медную шину переходят электроны со спинами, ориентированными в направлении его намагниченности. Под поверхностью элемента в медной шине возникает повышенная концентрация спин-поляризованных электронов.

На рисунке: Cu – медная шина; Аu – золотые электроды; ФМ1 и ФМ2 – ферромагнитные элементы; μ_V – измеритель напряжения; μ_A – измеритель тока

Белыми прерывистыми стрелками показаны направления их диффузии – в обе стороны от места инжекции. Это и есть „чистый" спин-ток. „Чистый" потому, что электрический ток при этом не возникает, так как такое же количество не поляризованных электронов (с произвольной ориентацией спинов) диффундируют навстречу. Ферромагнитный элемент ФМ2 выполняет здесь функцию детектора спин-тока. При наличии спин-тока между его золотым электродом и медной шиной возникает небольшая разность потенциалов (U₂), требуемая для того, чтобы автоматически компенсировать электрический заряд электронов, переносимых спин-током. При малых значениях разность потенциалов U₂ пропорциональна электрическому току, протекающему сквозь „инжектор". Разность потенциалов U₂ существенно различается в случаях, когда направления намагниченности ФМ1 и ФМ2 совпадают и когда они противоположны. Это и позволяет определить, какой именно спин (вверх или вниз) переносится спин-током. При уменьшении расстояния между ФМ1 и ФМ2 спин-ток возрастает, при увеличении – быстро уменьшается. В опытах японских ученых при расстоянии 270 нм спин-ток оказался достаточным даже для того, чтобы перемагнитить детектор (ФМ2), когда толщина ферромагнетиков была уменьшена до 4 нм.

Разность в концентрации спин-ориентированных электронов по аналогии с понятием электродвижущей силы (ЭДС) можно назвать спин-движущей силой (СДС). Как и ЭДС, СДС может стационарно поддерживаться лишь за счет работы некой „сторонней силы". В примере на рис. 1.13 СДС поддерживается за счет внешнего источника напряжения и протекания электрического тока через туннельные контакты A, В, С, D. В примере на рис. 1.14 СДС поддерживается тоже за счет внешнего источника напряжения (U₁).

Приведем еще один интересный пример возникновения СДС ( рис. 1.15 ). Если взять намагниченную ферромагнитную палочку и нагреть один ее конец, то диффузия электронов из нагретого конца будет активнее, чем диффузия с холодного конца. В обычном проводнике это приводит к возникновению термо-ЭДС. Но ведь в ферромагнитном проводнике спины электронов ориентированы преимущественно в направлении намагниченности. Поэтому во время диффузии электронами переносится не только электрический заряд, но и спин.

В результате возле холодного конца концентрация электронов со спинами, ориентированными в направлении намагниченности, повышается. Благодаря этому возникает термо-СДС. В стационарных условиях она поддерживается за счет энергии источника тепла и устанавливается на таком уровне, чтобы спин-ток, вызванный термо-СДС, в точности соответствовал диффузионному потоку электронов от нагретого конца к холодному.

Прохождение спин-поляризованного тока сквозь контакт ферромагнетика с немагнитным проводником

Теперь пришло время рассмотреть детальнее, что происходит на контакте ферромагнетика с нормальным (не ферромагнитным) проводником (рис. 1.16 ).

Когда к контакту не приложено внешнее электрическое напряжение, происходит обычная тепловая диффузия электронов. Из-за того, что концентрация электронов проводимости в нормальном проводнике (НП) обычно выше, чем в ферромагнетике (ФМ), в последний сначала диффундирует больше электронов, чем в обратном направлении. Поэтому прилегающая к контакту зона ферромагнетика заряжается отрицательно до тех пор, пока потоки электронов в обе стороны не уравняются. Тогда наступает динамическое равновесие. Спины "избыточных" электронов, которые пришли из нормального проводника в ферромагнетик, ориентируются здесь в направлении намагниченности ФМ. Благодаря этому намагниченность прилегающей к контакту зоны ФМ несколько возрастает. В прилегающей к контакту зоне нормального проводника из-за наличия магнитного поля от ФМ оказывается несколько большей концентрация электронов с ориентацией спинов, как в ФМ. Поэтому указанная зона немного намагничивается. Зависимость намагниченности (М) от координаты в зоне контакта показана на рис. 1.16 справа пунктирной линией. Такой же характер имеет и зависимость от координаты (сплошная линия) разности концентраций электронов со спинами, ориентированными "вверх" и "вниз" ().

Когда к контакту приложено внешнее электрическое напряжение (U) такое, что электрический ток течет из НП в ФМ, электроны из ФМ со спинами, ориентированными преимущественно "вверх", инжектируются в НП. Плотность потока инжекции (- j , поскольку он противоположен направлению тока) показана на рис. 1.16 слева черной стрелкой. Он приводит к тому, что концентрация электронов с ориентированными вверх спинами в зоне НП, прилегающей к контакту, резко возрастает. Это явление называют аккумуляцией или накоплением спинов. Под действием электрического поля эти электроны дрейфуют направо, из-за чего в нормальном проводнике течет уже спин-поляризованный ток. Это и называют инжекцией спин-поляризованного тока В ходе своего теплового движения и дрейфа электроны с ориентированными вверх спинами рассеиваются на фононах и на дефектах кристалла и в результате рассеяний изменяют ориентацию своего спина. Этот процесс называют спиновой релаксацией Он характеризуется средним временем релаксации спинов t_CP и длиной диффузии спин-поляризованных электронов λ_C – расстоянием, на котором концентрация указанных электронов уменьшается в e ≈ 2,73 раза. Среднее время релаксации спинов при комнатных температурах составляет порядка 1-100 нс.

На рис. 1.16 показан случай "прямой" или "фронтальной" инжекции спин-поляризованного тока. А на рис. 1.14 мы рассматривали случай "боковой" инжекции, когда электрический ток течет параллельно плоскости контакта ФМ–НП. В этом случае инжектированные спин-поляризованные электроны практически не принимают участие в переносе электрического заряда вдоль проводника, так как в нем для этого более чем достаточно "своих", не спин-поляризованных, носителей заряда. В этом случае и наблюдается "чистый" спин-ток, который тоже уменьшается практически до нуля на расстояниях порядка (2-3) λ_C от источника спин-поляризованных электронов.