Budoucnost mikroelektroniky ve hvězdách.... spintronika jednou z možných cest

Transkript

1 Budoucnost mikroelektroniky ve hvězdách... spintronika jednou z možných cest

2 Transistor

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

4 Integrovaný obvod - čip milionů transistorů na čipu (Několik kilometrů drátů o tloušťce 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 nm 2009

8 Atom Valenční elektrony ev Atomové jádro MeV (10 6 ev)

9 Elektron - ika Elementární částice elektron: Ovládán elektrickým polem s nábojem (záporným) Q = C s malou hmotností m = kg - Co dál s elektronem?

10 Kvantová relativistická fyzika 2 p r E = ih ψ(, t) = 2m t 2 2 h r ψ(, t) 2 2m r

11 Kvantová relativistická fyzika E m = mc = γm 2 0

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 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 2 n stavů

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 E = r cp v s

20 Elektronika s ultra-relativistickými částicemi se spinem Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino) a navíc spin a pohyb se vzájemně ovlivňují E = r cp v s

21 Ultra-relativistické elektrony v uhlíkové vločce neutrino graphene E r v r v = cp s E = vp s Elektron v jedné atomové vrstvě uhlíku (graphenu): nulová efektivní hmota rychlost v = c / 300

22 Spintronika maléshrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj

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

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

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

26 Spintronika maléshrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje a který může být s pohybem svázán a 00 + b 11 + c 10 +d 01 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 v magnetických 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 mbar 10 9 to 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-typový transistor podle orientace spinů Feromagnetismus jen při nízkých teplotách (<200 Kelvinů v GaMnAs)

39 Jiná možnost je ochočit spiny v nemagnetickém polovodiči Spin závisí na pohybu elektronu F SO F SO I E 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 σ + 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 Spintronický transistor V G 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