Future of Microelectronics in the Stars: An Introduction to Spintronics

1. Budoucnost mikroelektroniky „ve hvězdách“ … .... spintronika jednou z možných cest

2. Transistor

3. Transistor 1:1 1:0.000001 1. transistor z roku 1947 ..dnes s velikostí hradla pod 20 nm a vzdáleností 2 nm od polovodivého kanálu (1 nm = 10-9 m)

4. Integrovaný obvod - čip 10-100 milionů transistorů na čipu (Několik kilometrů drátů o tloušťce 10-100 nm)

5. Na hranici klasické fyziky Křemík už netěsní

6. Fyzický konec škálovaní u 1 nm, dál už jen jednotlivé atomy

7. Konec škálovaní na dohled – co potom je zatím „ve hvězdách“ 40 32 nm 2009

8. Atom Valenční elektrony eV Atomové jádro MeV (106 eV)

9. Elektron - ika Elementární částice elektron: s nábojem (záporným) s malou hmotností Ovládán elektrickým polem - Co dál s elektronem?

10. Kvantová relativistická fyzika

11. Kvantová relativistická fyzika

12. Kvantová relativistická fyzika

13. Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu

14. Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu  Spin-up

15. Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu  Spin-down

16. Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu Kvantová fyzika: libovlná kombinace také možná a + b

17. Elektronika bez pohybu náboje jen se spinem Klasické 2 bity a počítání 00 11 10 01 buď nebo nebo nebo Kvantové 2 bity a počítání: 1= a 0= a00+ b11+ c10+ d01 v páru kvantových bitů je možné uložit libovolnou kombinaci 4 stavů najednou Pro n bitů je to 2n stavů • 4 • 1024 • 100 1267650600228229401496703205376

18. Elektronika s ultra-relativistickými částicemi se spinem Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)

19.  Elektronika s ultra-relativistickými částicemi se spinem Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino) a navíc spin a pohyb se vzájemně ovlivňují

20.  Elektronika s ultra-relativistickými částicemi se spinem Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino) a navíc spin a pohyb se vzájemně ovlivňují

21. Ultra-relativistické elektrony v uhlíkové vločce neutrino graphene Elektron v jedné atomové vrstvě uhlíku (graphenu): nulová efektivní hmota rychlost

22. Spintronika – malé shrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj

23. a00+ b11+ c10+ d01 Spintronika – malé shrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje

24. a00+ b11+ c10+ d01 Spintronika – malé shrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje a který může být s pohybem svázán

25. a00+ b11+ c10+ d01 Spintronika – malé shrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje a který může být s pohybem svázán Spin je elementární magnetický moment

26. a00+ b11+ c10+ d01 Spintronika – malé shrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje a který může být s pohybem svázán Spin je elementární magnetický moment

27. Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál

28. Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál

29. Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál a paměť

30. První spintronické prvky vmagnetických sensorech Dnes ve všech počítačích

31. Spintronická operační paměť v čipu - MRAM Prvni 4Mb MRAM 2006 Dnes 32Mb RAM čip, který nezapomíná nehybný „pevný disk“ Spintronika dnes umožňuje integraci funkcí zapisování, ukládání a čtení informace v jediném elektronickém prvku

32. ... už je třeba jen přidat zpracování informace čili Spintronický transistor

33. Klasický transistor

34. Jeden přístup: udělat z obyčejného polovodiče feromagnetický Zatlouct železný hřebík do křemíkové desky není správná cesta

35. Stavebnice z jednotlivých atomů Růst po atomových vrstvách

36. Stavebnice z jednotlivých atomů Čisto (vakuum) jako v mezihvězdném prostoru 10−6 to 10−17 mbar 10−9 to 10−12 mbar

37. Jeden přístup: udělat z obyčejného polovodiče feromagnetický Růst Mn-dopovaného GaAs s atomovou přesností GaAs – standardní III-V polovodič Group-II Mn – magnetické momenty a díry GaAs:Mn – feromagnetický a elektricky dopovaný polovodič

38. Pomocí nano-litografie lze sestrojit spintronický transistor p- nebo n-typovýtransistorpodle orientace spinů Feromagnetismus jen při nízkých teplotách (<200 Kelvinův GaMnAs)

39. _ _ _ FSO _ FSO I || E Jiná možnost je ochočit spiny v nemagnetickém polovodiči Spin závisí na pohybu elektronu Zmagnetované hrany (spinový Hallův jev)

40. Spinový Hallový mikročip Supravodivý magnet Stejná magnetizace v polovodiči dosažená pomocí milionkrát menších proudů i rozmerů

41. Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit + Injektované spinově polarizované proudy budí příčné elektrické napěti

42. Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit + + + ferromagnet – – – Injektované spinově polarizované proudy budí příčné elektrické napěti

43. Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit + + + + + + + + + + + + ferromagnet – – – – – – – – – – – – Ustálený stav

44. Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit + + – – + + ferromagnet – – + + – – Spiny působí na proud ale i proud může působit na spiny

45. Spintronický transistor + + – – + + ferromagnet – – + + – –

46. VG Spintronický transistor + + – – + + – – + + ferromagnet – – + + – – + + – –

47. Budoucnost mikroelektroniky „ve hvězdách“ … .... spintronika jednou z možných cest .... .... která se učí z kvantové relativistické fyziky a skládání látek z jednotlivých atomů.... .... využívá spin elektronu samostatně nebo svázaného s pohybem náboje v elektrickém a magnetickém poli .... .... úspěšně nahrazuje nebo integruje prvky pro ukládání a čtení informace .... .... zpracování informace zatím na ůrovni prototypů jednotlivých spintronických transistorů