А. Шинкарь

Высокоскоростные изолирующие ИС фирмы NVE. Спинтроника

Мало кто осознает, что применение GMR-технологии не только позволило создать новые устройства IsoLoop лучше оптоизоляторов, но и является первым шагом на пути замены традиционной электроники спинтроникой.

Термин спинтроника (spintronics или Spin Transport Electronics, как его определяют в агентстве DARPA) отражает тот факт, что электрон - это не просто заряженная частица. Это частица, обладающая такой особой квантовой характеристикой, как спин - внутренний момент количества движения и связанный с ним магнитный момент. Электрон может находиться в двух спиновых состояниях, которые условно называются "спин вверх" и "спин вниз". Им соответствует собственное "вращение" электронов по часовой стрелке или против не╦. А это значит, что они самой природой предназначены для кодирования битов информации. Одно состояние может кодировать 1, второе - 0. Управление спиновыми состояниями электронов позволило бы создать сверхмалые логические элементы и - в перспективе - компьютерные компоненты с огромным быстродействием, малым энергопотреблением и большой информационной ╦мкостью.

Электроны проводимости со спином, направление которого совпадает с направлением магнитного поля внутри GMR-среды, испытывают меньшее сопротивление при движении и имеют большую свободу перемещения, чем электроны со спином, ориентированным против внутреннего магнитного поля, которые испытывают большее сопротивление при движении и чаще сталкиваются с атомами среды. В первом случае электрическое сопротивление среды будет меньше, чем во втором. На этом эффекте и построена работа GMR-сенсора (рис. 1).

Рисунок 1. Принцип работы GMR-сенсора

Современные MR- и GMR-головки - сдвоенные и имеют индуктивную записывающую головку (inductive write head) и считывающую головку, которую также называют "сенсором" (sensor).

GMR-сенсоры состоят из четыр╦х тонкопл╦ночных сло╦в: чувствительного (sensing layer), проводящего (conducting spaser), фиксирующего (pinned layer) и обменного (exchange layer). Первые три из них настолько тонкие, что электроны проводимости, проходя через проводящий слой, могут свободно перемещаться из чувствительного слоя в фиксирующий и обратно. Направление магнитного поля внутри фиксирующего слоя всегда оста╦тся одним и тем же - это достигается за сч╦т "работы" обменного слоя, функция которого и состоит в том, чтобы следить за магнитным полем внутри фиксирующего слоя и обеспечивать его постоянную направленность. А вот в чувствительном слое направление магнитного поля изменяется вместе с изменением внешнего магнитного поля, создаваемого поверхностью диска. Это, в свою очередь, приводит к изменению общего сопротивления чувствительного и фиксирующего сло╦в - срабатывает GMR-эффект.

Если магнитные поля в чувствительном и фиксирующем слоях направлены одинаково, то все электроны, спин которых направлен так же, как и эти магнитные поля, свободно передвигаются в обоих слоях.

Если направления магнитных полей в чувствительном и фиксирующем слоях противоположны друг другу, то движение электронов со спином вверх будет сдерживаться одним из этих двух сло╦в, а со спином вниз - другим, вследствие чего общее сопротивление чувствительного и фиксирующего сло╦в возрастает.

Ещ╦ в 1997 году агентство DARPA израсходовало на спинтронику 50 млн. долларов. В сентябре 2000 года DARPA выделило 10 млн. долларов для консорциума девяти научных учреждений, которые должны были разработать магнитные полупроводники для спинтронной нанотехники. Прежде всего речь ид╦т об исследованиях ферромагнитных гетероструктур вида {In(Mn)As/Ga(Mn)Sb/Al(Mn)Sb}. В консорциум входят: Университет в Буффало, Университет в Нотр-Дам, Вюрцбургский университет (Германия), Университет Индианы, Университет Техаса в Остине, Лаборатория морских исследований США, Университет Северной Каролины, Университет Вандербильта и Ворчестерский политехнический институт. Консорциум получил примерно 10% целевых средств, выделенных DARPA на исследования и разработку спинтроники в 2001 году.

Десятки компаний, среди которых IBM, Motorola, Hewlett-Packard, NVE работают над прототипами магнитной оперативной памяти (Magnetic Random Access Memory - MRAM). Исследователи ныне сосредоточены на технологиях MRAM, использующих эффект "перехода в магнитных туннелях" (Magnetic Tunnel Junctions - MTJ; SDT - Spin Dependent Tunneling), то есть на квантовых явлениях перехода электронов из одного магнитного слоя в другой, и соответственно в записи и считывании битов данных.

Сочетание конфигурируемых процессоров, высочайшей плотности хранения информации и отличных термохарактеристик (ферромагнетики, перемежаемые слоями изолятора, прекрасно рассеивают тепло) позволит построить карманный компьютер без движущихся деталей, сравнимый по мощности с современными суперкомпьютерами, но лиш╦нный их недостатков.

Руководитель проектов спинтроники из DARPA доктор Стюарт Вулф (Stuart Wolf) полон энтузиазма: "целый компьютер на основе электронных спинов - вот это идея, вот это проект!" По его мнению, такие компьютеры будут не менее чем на три порядка быстрее самых быстрых нынешних, во столько же раз экономичнее и, наверное, в тысячу раз меньше.

В настоящее время на рынке доступны высокоскоростные изолирующие ИС фирмы NVE (смотрите предыдущие номера, а также сводную таблицу назначения выводов серии IsoLoop на рис. 2), а также GMR-датчики.

Рисунок 2. Сводная таблица назначения выводов микросхем серии IsoLoop

Микросхемы датчиков фирмы NVE могут применяться так же, как и чувствительные элементы, основанные на эффекте Холла, обеспечивая при этом большее выходное напряжение, лучшую точность, стабильность и над╦жность.

Но об этом - в следующих номерах.

Контакты по техническим вопросам:

Vladimir.Temchenko@kvazar-micro.com, тел: (38044) 442-9459;
Alexander.Shynkar@kvazar-micro.com, тел: (38044) 442-9458.

Справки по вопросам поставок и наличия на складе по телефонам:

(38044) 239-9868 и (38044) 442-9361.