Спинтроника

О полупроводниковой спинтронике и спин-оптронике

Спин есть столь же фундаментальное свойство электрона, как его электрический заряд. Ориентация большого числа спинов создает намагниченность вещества. В большинстве современных электронных устройств информация хранится в виде "узора" из по-разному намагниченных участков ферромагнитной ленты, пленки или иного носителя информации.

Спином обладают электроны не только в ферромагнетике, но и в обычном немагнитном полупроводнике - например, в кремнии, на котором базируется вся современная компьютерная технология. Для повышения компактности, быстродействия и защищенности информационных систем привлекательна такая схема их работы, в которой не только хранение, но и передача и обработка информации осуществлялись бы на уровне спинов, а не зарядов. Предпосылкой для этого являются способы управления спинами в полупроводнике (оптическая ориентация спинов, спиновая инжекция, спин-гальванические эффекты и т.д.), разработанные за последние годы, в том числе в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.

Большую перспективу имеют гибридные системы ферромагнетик/изолятор и ферромагнетик/полупроводник. На основе структур ферромагнетик/изолятор уже созданы первые образцы энергонезависимой памяти с быстрым электронным доступом (записью и считыванием) - так называемые MRAM (Magnetic Random Access Memory), будущая универсальная компьютерная память. Еще перспективнее системы ферромагнетик/полупроводник, открывающие возможность создания всего компьютера на одном полупроводниковом чипе. В структурах ферромагнетик/полупроводник возможен не только электронный, но и оптический доступ и оптическое управление ячейками памяти.

Если намагниченность, то есть спин больших коллективов электронов, управляется классическими законами (и то это не совсем правда), то спин одиночных электронов и фотонов - существенно квантовая величина, управляемая законами квантовой механики. Примером квантовых свойств спина могут послужить так называемые "спутанные" (entangled) фотонные состояния, на основе которых предложено создание защищенных от прослушивания оптических линий связи. В квантовой механике есть принцип, гласящий, что любое вмешательство в квантовомеханическую систему (это вмешательство физики называют "измерением") изменяет состояние системы. Если при передаче информации пользоваться пaрами "спутанных" фотонов, то нарушение разности фаз между первым и вторым фотоном в паре немедленно оповестит о том, что один из фотонов в пути подвергся "измерению" - в данном случае, что имел место несанкционированный доступ к информации. Генерировать "спутанные" фотоны можно с помощью полупроводниковых наноструктур - квантовых точек и микрорезонаторов, использующих ориентацию спинов одиночных электронов.

Наконец, наиболее революционной (хотя и трудноосуществимой) является идея "квантового компьютера". В таком компьютере носителями информации являются одиночные электронные спины в полупроводниковых квантовых точках, а вычисления осуществляются с помощью управляемых взаимодействий между ними. Доказано, что квантовый компьютер способен решать ряд важных задач, которые не под силу обычным компьютерам. На сегодняшний день пройдены первые стадии на пути к построению квантового компьютера - осуществлена запись информации (инициализация кубита) и ее считывание. Разрабатываются и проверяются на эксперименте способы управления взаимодействием спинов.

Статьи по спинтронике

• The Discovery of Giant Magnetoresistance (508Kb .pdf)
  Scientific Bacground on the Nobel Prize in Physics 2007
  completed by Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Science
  
  перевод
  Открытие гигантского магнитосопротивления (1,15Mb .pdf)
  Научное обоснование Нобелевской премии по физике 2007-го года.
  Составлено отделением физики Шведской Королевской академии наук.
  
  
• The Nobel Prize in Physics 2007 (234Kb .pdf)
  
  перевод
  Нобелевская премия по физике 2007 года (404Kb .pdf)