Spintroniikassa

Spintroniikka on elektroniikan ala, jossa elektronin spinia sekä varauksellisia ominaisuuksia hyödynnetään tiedon käsittelyssä ja tallennuksessa. Spin on kvanttimekaaninen ominaisuus, jolla elektroni voi olla tilassa ylös tai alas. Spintroniikassa pyritään tuottamaan, siirtämään ja hallitsemaan spinivirtoja sekä hyödyntämään magneettisia ominaisuuksia erilaisissa laitteissa. Spiniprosessit liittyvät usein magneettisiin rakenteisiin, kuten ferromagneetteihin sekä magnetoitujen rajapintojen yhteistoimintaan ja elektronien diffuusioon materiaaleissa.

Merkittävimmät ilmiöt spintroniikassa ovat magnetisen resistanssin muutokset sekä niiden johtama ohjaus: giant magnetoresistance (GMR) ja tunneli(GMR) magnetoresistanssi (TMR). MTJ-rajapinta on keskeinen rakennusosa sekä MRAM-muisteissa että magneettisissa antureissa. Elektronin spinin vaihtaminen sähkövirran avulla – spin transfer torque (STT) ja spin-orbit torque (SOT) – mahdollistavat magneettisten tilojen kytkemisen ilman suuria magneettikenttiä. Spin Hall -vaikutus ja joissakin materiaaleissa esiintyvät topologiset tilat tarjoavat lisäkeinoja spinivirtojen ohjaukseen. Materiaalit kattavat ferromagneettiset metalliseokset, MgO-esteet sekä raskaat metallit kuten Pt ja Ta.

Spintroniikalla on potentiaalia tarjota energiatehokkaita ja tiheitä ei-volatiivisia muistilaitteita sekä herkkää sensorointia. MRAM, erityisesti STT- ja SOT-MRAM, on osoittanut lupausta arkisessa tallennuksessa. Myös spinipohjaiset logiikkaprosessit, racetrack-muisteja sekä neuromorfisen laskennan sovellukset ovat aktiivisia tutkimusalueita. Haasteina ovat materiaalien epäjärjestys, kustannukset sekä haasteet CMOS-integraatiossa sekä spinin säilymisen ja tilansiirtymien hallinta skaalauksessa. Tutkimus keskittyy uusien materiaalien, vahvan spin-orbit-sidonnaisuuden ja topologisten tilojen hyödyntämiseen sekä laitteistojen kestävyyteen ja tehokkuuteen.

---