Применение нанотехнологий (1075549), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Квантовая точка - это электронное устройство, способное "захватывать" электроны и удерживать их в малом пространстве. Электроны при этом ведут себя как отдельные стоячие волны, так же, как они ведут себя в атомах.

Германиевая квантовая точка на кремниевой основе Si 001

(фотография получена при помощи электронного сканирующего микроскопа)

1. Спинтроника

Спинтроника (spintronics) — это область квантовой электроники, в которой для физического представления информации наряду с зарядом используется спин частиц, связанный с наличием у них собственного механического момента.

Спин (от англ. spin — верчение, кружение) можно было бы представить как результат вращения частицы вокруг своей оси, однако, несмотря на наглядность такого представления и очевидный смысл самого термина, классическая физика не может объяснить появление спина в результате вращательного движения частиц в трехмерном пространстве.

Последовательное объяснение дает лишь релятивистская квантовая электродинамика. Каждая элементарная частица характеризуется спиновым квантовым числом. Оно может быть только положительным целым (0, 1, 2, …) или полуцелым (1/2, 3/2, 5/2, …). Например, спин фотона равен 1, а спин электрона 1/2.

Кроме механического спинового момента, некоторые частицы могут обладать также магнитным спиновым моментом. Например, магнитный момент фотона равен нулю, а магнитный момент электрона отличен от нуля (рис. 1). Если рассматривать перенос заряда при движении частиц, то мы приходим к понятию обычного электрического тока. Если рассматривать перенос спина, то получаем спиновый ток (механический и магнитный). В обычных условиях спины с различной ориентацией компенсируют друг друга, поэтому спиновый ток равен нулю. Если спины всех частиц принимают одну и ту же ориентацию, возникает макроскопическая намагниченность вещества. Электроны с заданным состоянием спина называют также поляризованными электронами. Таким образом, использование магнетизма веществ — частный случай спинтроники.

Cпинтроника — устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics). Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра некоторых атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые — магнитные полупроводники, вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами. Зонная структура магнитного полупроводника отличается от двухзонной структуры обычных полупроводников, металлов и диэлектриков наличием особой — третьей зоны (рис. 2), которая образуется электронными d- и f-оболочками атомов переходных или редкоземельных элементов. Экспериментальная техника спинтроники включает в себя магнитооптическую спектроскопию с высоким (фемтосекундным) временным разрешением, микромеханическую магнитометрию, атомно- и магнитосиловую сканирующую микроскопию субатомного разрешения, сканирующую оптическую микроскопию ближнего поля, спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и многое другое. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами.

Рис 3. Одной из главных прикладных целей спинтроники является разработка новых способов квантового представления, передачи и обработки информации в твердом теле.

В обычной твердотельной микроэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда. Состояние магнитного момента при этом не задано — собственные моменты частиц ориентированы хаотично (рис. 3а). Спинтроника отличается тем, что использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц (рис. 3б). Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), в конце 1990-х было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в сто раз.

Стратегическая и экономическая значимость разработок в области спинтроники очевидна. Неудивительно, что лидирующие позиции здесь принадлежат США, где опекой этого перспективного научного и технологического направления занимаются такие могучие ведомства, как NSF (National Science Foundation), NIST (National Institute of Sience and Technology), DoD (Department of Defense), DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) и ONR (Office of Naval Research). Под эгидой этих организаций регулярно проводятся симпозиумы, координирующие и обобщающие результаты последних исследований по спинтронике. Одним из ведущих мировых центров является Центр спинтроники и квантовых вычислений (CSQC) Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которым руководит Давид Авшалом (David Awschalom). Среди последних работ CSQC — исследования перспективных спинтронных устройств на магнитных моментах ядер атомов.

Использование магнитных моментов ядер дает дополнительные возможности для хранения и обработки квантовой информации. Почему же техника современной магнитной записи информации до сих пор основана на использовании электронных магнитных моментов? Дело в том, что магнитные моменты ядер более чем в тысячу раз слабее магнитного момента электрона. Поэтому и управлять ими гораздо сложнее. Главная идея развиваемого в CSQC подхода состоит в том, чтобы управлять магнитными моментами ядер, используя магнитные моменты электронов, захваченных с помощью квантовых ям в малую область пространства внутри магнитного полупроводника.

Для этого литографическими методами внутри магнитного полупроводника создается специальная, практически двумерная квантовая яма. Попадая в яму, электроны с упорядоченным направлением спинов (поляризованные электроны) образуют тонкий диск радиусом около 20 мкм и толщиной 20 нм. С помощью электрического поля этот диск можно перемещать в нужном направлении по полупроводнику аналогично тому, как магнитная головка перемещается вдоль поверхности магнитного накопителя информации. Отработана методика позиционирования облака электронов с нанометровой точностью. В результате взаимодействия магнитных моментов электронов с магнитными моментами ядер последние тоже принимают упорядоченное состояние — происходит магнитная поляризация атомных ядер. Все эти процессы протекают в слое магнитного полупроводника толщиной несколько нанометров. В результате создается тонкий двумерный кластер поляризованных ядер, который может составлять базисный элемент устройства хранения информации, задавая логическое состояние системы. Ко всему прочему плотность хранения информации теоретически гораздо выше, чем с использованием спина электронов. Преимущество описанного метода состоит также в том, что ядерные спины гораздо слабее взаимодействуют с окружающей средой, нежели электронные, и поэтому лучше сохраняют свое состояние. Интересно, что электронный кластер в работах CSQC используется не для хранения информации, а лишь как магнит, управляющий магнитным состоянием ядер и вдобавок не требующий расхода энергии для поддержания создаваемого им магнитного поля. При этом несложно и перемещать электроны по магнитному полупроводнику, благодаря наличию у них электрического заряда.

Определенную трудность представляла необходимость создания в полупроводнике магнитно-поляризованного электронного кластера. В первых экспериментах для этой цели использовался сложный метод инжекции спин-поляризованных электронов в двумерную квантовую яму с помощью лазерного импульса. Теперь внедряется разработанная в IBM методика инжектирования в полупроводник поляризованных электронов с помощью квантовых магнитных туннельных переходов. В таких переходах электроны туннелируют управляемым образом между двумя ферромагнитными слоями. Магнитные туннельные переходы исследовались в IBM в связи с разработками новых типов электронной памяти — MRAM (magnetic random access memory). Каждый переход может хранить один бит информации, что позволяет создавать электронную полупроводниковую память нового типа с высокой скоростью записи и чтения, а также с высокой плотностью записи. Память типа MRAM обеспечивает сохранение информации при отключении питания (поскольку в основе метода лежит не заряд, а магнетизм) и к тому же не требует регенерации в процессе работы. IBM готовится наладить производство MRAM-памяти в сотрудничестве с Infineon Technologies уже в нынешнем году. Новая память будет в пятьдесят раз быстрее DRAM, в десять раз плотнее, чем статическая SRAM, и сможет заменить и ту и другую, а также, вероятно, и дисковые накопители. Станет возможным размещать на одном чипе логику процессора и магнитную память, убрав медленные каналы ввода-вывода. В этом случае весь компьютер вместе с «жестким диском» можно будет разместить на одном чипе.

Еще одно новое направление, над которым работают исследователи, нацелено на создание оптического процессора, где информация к ядрам от электронов переносится с помощью пучков света. Союз магнитных полупроводников с фотоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах атомов. А благодаря интеграции традиционных составных частей компьютера на одном магнитно-полупроводниковом оптическом чипе мы получим сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и хранения данных. Свою лепту в повышение быстродействия внесет также отказ от необходимости изменять способ представления информации в памяти, процессоре, канале передачи данных. Использование на чипе магнитооптоэлектронных структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели и коммутаторы сигналов, способные работать на частотах в несколько терагерц. Следует также отметить, что магнитооптические полупроводники дадут возможность осуществлять прямое преобразование квантовой информации из электронного представления в оптическое и обратно, минуя процесс детектирования.

Высокое быстродействие устройств спинтроники может также достигаться за счет того, что здесь не обязательно перемещать в пространстве заряд и связанную с ним массу. Для переключения состояния достаточно лишь развернуть спин в обратном направлении.

Рис. 4. Переключение транзистора осуществляется путем переключения с параллельного (а) на антипараллельное (б) состояния намагниченности стока и истока. В случае (а) проводимость канала высокая, в случае (б) — низкая. Разрабатываются также спинтронные транзисторы, полностью управляемые электрическим полем затвора (в).

В настоящее время высокими темпами ведется разработка спиновых полевых нанотранзисторов (spin-FET) с переносом заряда и нанотранзисторов с переносом спина.

Органические полупроводники, уже хорошо известные в обычной электронике, начинают применяться и в спинтронике. Так, по упомянутой схеме в Университете штата Юта в 2004 г. был создан первый спинтронный нанотранзистор с каналом на органическом полупроводнике.

1. Гибкая и тонкая электорника

Сверхтонкие динамики

Обнаруживаются все новые, ранее не известные свойства нанотрубок. Однако до сегодняшнего дня никто не додумывался проверить их акустические возможности.

Команда исследователей из Китая решили создать лист из нанотрубок диаметром 10 нанометров и пропустить через него электрический ток звуковой частоты. К удивлению ученых, "нано-лист" начал издавать звуки.

Характеристики

Список файлов книги