Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СПИНТРОНИКЕ Л. Р. Тагиров Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Содержание Что такое Спинтроника Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR) Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски) Новые направления уплотнения записи: среды записи, технологии записи, сенсоры для чтения Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления, магниторезистивная память произвольной выборки Сверхпроводящая спинтроника Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

S=1/2 Charge plus Spin Два состояния - бит? Движение носителей заряда в полупроводниках медленное, рекомбинация электронов и дырок тоже СПИН овая элек ТРОНИКА - СПИНТРОНИКА Две проекции Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Как спин может быть использован в электронике? Спин S = ½ имеет две проекции на ось квантования: S z = ±½ ( ) – основа для бинарной записи информации ПРОБЛЕМА – выбранная проекция электронного спина сохраняется при комнатной температуре очень короткое время – измеряется в наносекундах (нсек) ВЫВОД - электронным спином можно манипулировать в МАГНИТНЫХ НАНОСТРУКТУРАХ – гетероструктурах с характерными размерами, на которых электроны СОХРАНЯЮТ СВОЙ СПИН Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Основа СПИНТРОНИКИ – магнитные наноструктуры Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Содержание Что такое Спинтроника Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR) Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски) Новые направления уплотнения записи: среды записи, технологии записи, сенсоры для чтения Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления, магниторезистивная память произвольной выборки Сверхпроводящая спинтроника Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

. Проф. A. Fert (France) Проф. P. Gruenberg (Germany) Nobel Prize 2007 Открытие гигантского магнитосопротивления в мультислоях Fe/Cr Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Проф. Питер Грюнберг в Казани (2007) Ауд. 2 физ.Раифа Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Prof. B. Dieny (France) Director of SPINTECH Inc. B. Dieny и др. JAP 69, 4774 (1991) Концепция спинового клапана Денú Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Механизмы гигантского магнитосопротивления Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления СЕНСОРЫ И РАЗВЯЗКИ 0.9 мм Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Содержание Что такое Спинтроника Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR) Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски) Новые направления уплотнения записи: среды записи, технологии записи, сенсоры для чтения Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления, магниторезистивная память произвольной выборки Сверхпроводящая спинтроника Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Применение гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации – сегодняшний день Среды для магнитной записи – ферромагнитные металл. пленки, плотность записи – до 3 Гигабит/см 2 (1 Гигабит = 1 миллиард бит) (1 нанометр = 1 миллиардная метра) Головки записи-чтения на эффекте гигантского магнитосопротивления в ферромагнитных мультислоях – ширина дорожки записи – 200 нм, длина записи бита –100 нм Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Параллельная и перпендикулярная запись информации – сегодняшний день Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

HDD ноутбука Серия год 2010 – ВСЕ производители выпускают 500 млн./год Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Содержание Что такое Спинтроника Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR) Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски) Новые направления уплотнения записи: среды записи, технологии записи, сенсоры для чтения Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления, магниторезистивная память произвольной выборки Сверхпроводящая спинтроника Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Ближайшее будущее технологии записи Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Перспективы увеличения плотности записи информации на жестких дисках компьютеров: нанструктурированная среда записи Квантовый магнитный диск – среда записи, состоящая из ферромагнитных НАНО-столбиков Плотность записи – от 20 Гб/см 2 (слева) до 100 Гб/см 2 (справа) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Перспективы увеличения плотности записи информации на жестких дисках компьютеров: лазерный прогрев среды перпенд. записи Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Проблема – сенсор магнитного поля размером nm Возможное решение – магнитные наноконтакты Геометрически ограниченная доменная стенка – очень тонкая Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Гигантское магнитосопротивление в наноконтактах («баллистическое» магнитосопротивление, КФУ-2001) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

H.D. Chopra et al, PRB 71, (2005) Nat. Mater. 4, 832 (2005) Электролитическая технология изготовления, квантование проводимости (КФУ+ КФТИ РАН) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур j = σE

Магнитосопротивление в условиях квантования проводимости – квантовый спиновый клапан (КФУ – ) (Л.Р. Тагиров и др., PRB 65, (2002), J.M.M.M , 61 (2003); M.Ye. Zhuravlev, E.Y. Tsymbal, S.S. Jaswal et al., Appl. Phys. Lett. 83, 3534 (2003)) L.R. Tagirov, K.B. Efetov, in NATO Science Series II (v. 143 ed. by B. Aktaş, L.R. Tagirov and F. Mikailov, 2004), p H.D. Chopra и др., Nature Materials, v. 4, p. 832 (2005) Теория ( ) Эксперимент (2005) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Содержание Что такое Спинтроника Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR) Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски) Новые направления уплотнения записи: среды записи, технологии записи, сенсоры для чтения Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления, магниторезистивная память произвольной выборки Сверхпроводящая спинтроника Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Туннельное магнитосопротивление (TMR или TGMR) Квантовое туннелирование через диэлектрический барьер (слой окисла в 1-2 нанометра) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Туннельное магнитосопротивление: как это делается Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Δ Туннельное магнитосопротивление: для чего это делается - ТМРАМ Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур H. Ohno -> 2011

ТМРАМ в сравнении с другими Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Содержание Что такое Спинтроника Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR) Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски) Новые направления уплотнения записи: среды записи, технологии записи, сенсоры для чтения Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления, магниторезистивная память произвольной выборки Сверхпроводящая спинтроника Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Сверхпроводящая ячейка памяти Бисли (M.Beasley) [Applied Physics Letters 71, 2376 (1997)] Kapitulnik Geballe Beasley Group Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

SPSP S AP N AP P Phase-dependent perturbation in SC L. Tagirov (PRL/99) + A. Buzdin et al. (EPL/99) Альтернативный дизайн сверхпроводящей ячейки памяти (КФУ-1999) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Триплетное спаривание в гетероструктурах С-Ф: триплетный спиновый клапан (КФУ+Ландау ИТФ -2010) F.S. Bergeret, A.F. Volkov and K.B. Efetov, PRL 86, 4096 (2001); A.F. Volkov, F.S. Bergeret and K.B. Efetov, PRL 90, (2003); F.S. Bergeret, A.F. Volkov and K.B. Efetov, PMP 77, 1321 (2005); Нечетная по частоте ТРИПЛЕТНАЯ ВФ с ±1 проекцией спина (дальнодействующая требуется неколлинарная магнитная конфигурация в гетероструктуре СФ) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Триплетное спаривание в гетероструктурах С-Ф: триплетный спиновый клапан (КФУ+Ландау ИТФ -2010) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур -TRIPLET - INVERSE - DIRECT T t WORK T d WORK T i WORK AP P

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур КФТИ РАН

d F2 =0.5 nmd F2 =1.3 nm (КФТИ РАН ) Теория КФУ 2010 Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Сверхпроводящие спиновые клапаны: что это такое «в разрезе» (КФУ-УА, ) Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

. Новая высоковакуумная система для молекулярно-лучевой эпитаксии, магнетронного напыления и наноструктурирования с помощью фокусированных ионных пучков Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур Сверхпроводящие спиновые клапаны: на чем это делается (КФУ-2012)

Спасибо за внимание Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Успехи наших коллег (ИФТТ РАН, Черноголовка) в развитии сверхпроводящей электроники Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур