Čtvrtek 7. července 2022, svátek má Bohuslava
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet

Lidovky.cz

Vědci zkrotili spin v polovodičích

Česko

Poprvé se povedlo ovládat orientaci spinu elektronů v křemíku za pokojové teploty

Nizozemští vědci udělali důležitý krok ke konstrukci počítačů založených na zcela novém principu. Nosičem informace v nich nebude jako doposud jen elektrický náboj, nýbrž také spin elektronů. To umožní vytvoření logických prvků, které nebudou potřebovat tolik energie, což může vést k další miniaturizaci a ke zvýšení výkonu procesorů.

Na pomezí kvantové fyziky Spin je jednou z vlastností elektronu, jde vlastně o jeho magnetický moment. Může být orientován pouze dvěma způsoby. Zjednodušeně je přirovnáván k rotaci, lze mluvit o elektronech se spinem nahoru a se spinem dolů. Spin elektronu nezávisí na tom, jak elektron „obíhá“ kolem atomového jádra.

Existence spinu je vědcům známa už mnoho desetiletí, ovšem možnost praktického využití se vynořila až díky objevu obří magnetorezistence v roce 1997. Z tohoto objevu oceněného v roce 2007 Nobelovou cenou vycházejí tzv. spinové ventily, princip, který umožnil další zvyšování kapacity pevných disků.

Další součástkou, jejíž princip je založen na existenci spinu, se staly paměti typu MRAM. Ty díky využití spinových ventilů pracují rychleji, a navíc uchovávají uloženou informaci i bez přívodu energie. Paměti typu MRAM jsou již v prodeji, ovšem zatím nedosahují takových kapacit jako tradiční polovodičové moduly.

Dosud se spin nevyužívá u spínacích prvků. U dnešních tranzistorů záleží jen na náboji, na počtu elektronů, které se nahromadí za jednotku času. V typickém procesoru je dnes víc než miliarda tranzistorů. Přestože jsou díky pokročilejším výrobním technologií tranzistory stále úspornější a stačí jim čím dál nižší napětí, nahromadění takového počtu aktivních prvků v jednom integrovaném obvodu vede k jen obtížně zvladatelným problémům s teplem. Pokud by však logická nula či jednička nebyly reprezentovány přítomností nebo nepřítomností elektrického náboje, ale jen hodnotou spinu, mohly by být obvody rychlejší a úspornější.

„Protože spin může nabývat dvou hodnot, nahoru, či dolů, je ze své podstaty velice vhodný pro logické funkce. Překlopení spinu nevyžaduje velké množství energie a je velice rychlé,“ shrnuje atraktivitu spintroniky Jan Voves z katedry mikroelektroniky FEL ČVUT v Praze.

Stačí běžná teplota Dosud se dařilo provádět operace se zachováním spinu v polovodičích jen za velmi nízkých teplot (pod -120 stupňů Celsia) či při využití vzácných, případně v praxi obtížně využitelných materiálů. Studie týmu vedeného Sarojem Dashim z univerzity v nizozemském Enschede publikovaná v posledním vydání vědeckého časopisu Nature je převratná v tom, že prokázala možnost ovládat spin i za pokojové tepoty.

Základním materiálem byl přitom „obyčejný“ křemík, materiál v elektronice běžně využívaný a snadno dostupný.

Co tedy vědci dokázali? Zní to velmi prostě: nasměrovali elektrony z kovu do křemíku a docílili toho, že i v něm měla většina nosičů náboje totožný spin. Jak již bylo řečeno, efekt se dostavil i bez náročného chlazení.

Nepoddajné polovodiče Ve feromagnetických materiálech (zjednodušeně řečeno látkách, které lze zmagnetizovat, například železe nebo kobaltu) se se spinem pracuje jednoduše. Elektrony sousedních atomů v nich „mají snahu“ mít stejný spin. Když feromagnetikum silně zmagnetizujeme, budou mít spiny všech elektronů stejný směr a po připojení na elektrické napětí bude proud protékající feromagnetikem tvořen elektrony se stejným spinem.

Obtíž nastává, když je potřeba převést polarizaci spinu z feromagnetického kovu do polovodiče, například do křemíku. Právě tohoto problému se týká publikovaná práce. Vědci si jako materiál pro elektrodu připojenou ke křemíkové destičce vybrali slitinu niklu a železa využívanou při výrobě magnetických hlaviček pevných disků. Mezi kov a křemík vložili tenounkou vrstvičku oxidu hlinitého (Al2O3). Její tloušťka nepřesáhla několik nanometrů.

Oxid hlinitý je izolant, ovšem elektrické napětí způsobí, že některé elektrony přejdou z magnetického materiálu do polovodiče. Uplatní se totiž tzv. kvantové tunelování, díky němuž některé nosiče náboje projdou potenciálovou bariérou, která je vyšší než jejich energie.

Vrstva oxidu hlinitého dovolí projít elektronům s jednou hodnotou spinu snadněji, což zaručí, že většina elektronů za bariérou bude mít totožnou orientaci, uvádí Nature. Efekt se povedlo prokázat v polovodiči typu P i N, což jsou dvě základní varianty lišící se prvkem, o nějž byl křemík obohacen. Pozoruhodné a pro vědce nečekané je, že v křemíku typu N (vodivost zajišťuje elektron navíc) se polarizace projevila téměř dvakrát rychleji než v typu P (proud přenáší „díra“). Výsledek byl 140 pikosekund a 270 pikosekund.

Jednoduchost popsaného postupu a jeho spolehlivost můžou dát vývoji spintroniky nový impulz. Nyní je potřeba vyvinout techniku umožňující změnit spin i uvnitř polovodiče. „Základní kameny máme,“ říká Ron Jasen, jeden z autorů studie. „Teď jde o to, něco z nich postavit.“

Autor:

Cesta do Chorvatska 2022: Jak projet rozkopané Slovinsko a tankovat v Maďarsku

Premium Dobrá zpráva pro dovolenkáře mířící autem na Jadran. Cesta byla letos hladká, na nejrychlejší trase přes Vídeň, Graz...

Zbraně, které zaskočily Putina: „Muskovo“ bombardování

Premium Už druhý den po nočním překročení hranic měli triumfálně projíždět centrem Kyjeva, po čtyřech měsících místo toho vězí...

Jet sto třicet, nebo zpomalit? Na dálnici můžete uspořit litry paliva

Premium Ceny paliv opět atakují rekordy. Také si všímáte, o kolik víc řidičů jezdí poslední měsíce „na spotřebu“? Vyzkoušeli...