Spintronics. Tomas Jungwirth. Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep. and University of Nottingham, UK

Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep. and University of Nottingham, UK

Outline Spintronic devices Physical paradigms of spintronics Materials for spintronics

Electronics Electron has fixed charge Q 1.60217646 10 19 C manipulating charge = manipulating entire electron

Electronics I e Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Electronics V G I e Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Electronics V G I e = 0 Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Electronics V G 1 0 Transistor Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947

Spintronics Electron has spin - magnetic moment B 5. 7883 10 5 ev/t manipulating spin = manipulating internal degree of freedom of electron

Spintronics M I e Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientation Kelvin, 1857

Spintronics M I e Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientationc Kelvin, 1857

Spintronics 1 I e 0 I e = 0 Giant magnetoresistance Fert, Grünberg, 1988

Spintronics M Inverse magnetoresistance: spin (magnetization) orientation depends on current Berger, 1978

Spintronic sensors First HDD, 1956 MB in a room Micro HDD 100GB in a pocket

Spintronic sensors 1990s

Spintronics memory chip - MRAM Non-volatile RAM, 2006

MRAM: universal memory write with magnetic field write with current write with current & perpendicular scalable to ~ 10 nm

MRAM: universal memory Compatible with CMOS

Conventional architecture with CMOS New architectuture with MRAM MRAM kb huge gap MB GB in a few years TB

Non-volatile spintronic logic

Conventional architecture with CMOS New architectuture with spin memory/logic longer term...

Worldwide MRAM development and manufacturing

Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics 2 p 1 2 E mv 2m 2 i ( r, t) t 2 2 ( r, t) 2 2m r

Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics E mc 1/ 2, m (1 v m 2 Dirac equation 0 / c 2 )

Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics

Spin: internal degree of freedom of electron

Spin: internal degree of freedom of electron Spin-up B 5. 7883 10 5 ev/t

Spin: internal degree of freedom of electron Spin-down

Spin: internal degree of freedom of electron Quantum physics: any linear combination allowed a + b

Ultra-relativistic quantum particles (neutrino)

Ultra-relativistic quantum particles (neutrino) Dirac equation E cp s spin and orbital motion coupled

Dirac spintronics paradigm: quantum-relativistic spin-orbit coupling Relies on a single spin-orbit coupled magnet (or non-magnet) Mott spintronics paradigm: two-spin-channel model of ferromagnets Relies on spin-transport between ferromagnets

Ohmic Dirac device: AMR Kelvin, 1857 Magnetization-orientation-dependent scattering

Tunneling Mott device: TMR MRAM Spin-channel-dependent tunneling DOS

Dirac spin-gated transistor M Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher, Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint 12

M Dirac spin-gated transistor Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher, Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint 12

Magnetization-orientation-dependent chemical potential Dirac spin-gated transistor Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher, Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint 12

Current Mott sensors and MRAMs based on FM transition metals Single-crystal Mg0 large MR perpendicular M

Dirac spintronic devices based on antiferromagnets Spin-orbit AMR effects equally well present in AFMs as in FMs FM AMR ~ ( m) 2 AFM Shick, Jungwirth PRB 10

From Mott FM-FM device to Dirac AFM device Pt NiFe MgO NiFe MnIr Ta/Ru/Ta Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto, Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. 11

From Mott FM-FM device to Dirac AFM device Pt MgO NiFe NiFe MnIr Ta/Ru/Ta Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto, Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. 11

From Mott FM-FM device to Dirac AFM device Pt MgO MnIr NiFe Ta/Ru/Ta Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto, Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. 11

R [k ] From Mott FM-FM device to Dirac AFM device Pt MgO MnIr 100 50 3 nm IrMn NiFe Ta/Ru/Ta -1 0 1 B [ T ] >100% MR signal at ~50 mt Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto, Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. 11

R (kohm) From Mott FM-FM device to Dirac AFM device Pt MgO MnIr NiFe Ta/Ru/Ta 80 60 40 20-1000 -500 0 500 Field (Oe) Electrically measurable memory effect in AFM Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto, Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. 11

Ferromagnetic semiconductors

Ferromagnetic semiconductors Molecular beam epitaxy of (Ga,Mn)As GaAs common III-V semiconductor Group-II Mn magnetic moment, holes GaAs:Mn feromagnetic semiconductor

Optical spin transfer torque in (Ga,Mn)As ferromagnetic semiconductor Nemec, Rozkotova, Tesarova, Trojanek, Ranieri, K.Olejník, Zemen, Novák, Cukr, Malý, Jungwirth, Nature Phys. 2012 Ultrafast (100fs) excitation of magnetization compare with ns-scale of current STT

Dirac non-magntic semiconductor (spin-hall) transistor + + + + Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák, Sinova, Jungwirth, Science 2010

Dirac non-magntic semiconductor (spin-hall) transistor + + + + + + + + + + + + + Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák, Sinova, Jungwirth, Science 2010

Dirac non-magntic semiconductor (spin-hall) transistor + + + + + + + Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák, Sinova, Jungwirth, Science 2010

Dirac non-magntic semiconductor (spin-hall) transistor + V G + + + + + + + + + + Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák, Sinova, Jungwirth, Science 2010

V G2 [V] + Dirac non-magntic semiconductor logic V G2 V G1 2 m R H2 R H1 I PH V B 0.25 0-0.25-0.5-0.75 0.25 0-0.25-0.5-0.75 Hall bar 2 0 0 0 0-1 0 +1 0-0.5 VG1-0.25[V] 0 0.25 R H2 [ ] + - -4-3.0 0 0.0 +4 3.0 AND 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák, Sinova, Jungwirth, Science 2010

Institute of Physics ASCR and Charles Univ., Prague, Czech Rep. Univ. of Nottingham, UK Hitachi and Univ. Cambridge, UK & Hitachi Japan J. Wunderlich, A. Ferguson, B.G. Park, C. Ciccarelli, Y. Kurosaki, M. Yamada, H. Yamamoto, A. Nishide, J. Hayakawa, H. Takahashi, L. Zarbo, A. Shick,V. Novák, H. Reichlová, K. Olejník, M. Cukr, X. Marti, O. Stelmakhovych, V. Holý, P. Němec, P. Horodyská, E. Rozkotová, N. Tesařová, J. Mašek, F. Máca, J. Sinova, J. Železný, K. Výborný, J. Zemen, R. Campion, T. Foxon, B. Gallagher, P. Wadley, K. Edmonds, A. Rushforth,...

Tunneling Dirac device: TAMR - Discovered in GaMnAs - Bistable spin-valve-like signal whose sign depends on field angle Gould et al. PRL 04 Brey et al. APL 04, Giddings et al. PRL 04, Giraud et al. APL 05, Sankowski et al. PRB 07, Ciorga et al., NJP 07

-TAMR in metals Tunneling Dirac device: TAMR - large spin-orbit large signal Park, Wunderlich, Jungwirth et al. PRL 08 Shick, Jungwirth et al. PRB 06, Moser et al. PRL 07, Gao et al. PRL 07

Chemical potential controlled Dirac device: CBAMR (m) Discovered in GaMnAs SET Gate-voltage and magnetiztionangle dependent Coulomb oscillations Wunderlich, Jungwirth et al. PRL 06, Schlapps et al. PRB 09

Chemical potential controlled Dirac device: CBAMR Electrical control of spintronics Positive & negative MR Spintronic control of electronics p-type & n-type transistor m 1 V G1 m 2 V G2 B (T) rotating m Wunderlich, Jungwirth et al. PRL 06, Solid State Commun. 07

Chemical potential controlled Dirac device: CBAMR CBAMR confirmed in metal channel with ferromagnetic leads Bernard-Mantel et al. Nature Phys. 09

Transistor

Transistor 1. transistor z roku 1947..dnes s velikostí hradla pod 20 nm a vzdáleností 2 nm od polovodivého kanálu (1 nm = 10-9 m)

Integrovaný obvod - čip Několik kilometrů drátů o tloušťce 10-100 nm 10-100 milionů transistorů na čipu

Tepelný výkon na cm dnes jako žehlička a za 10 let ve hvězdách

Problém s elektrickou těsností při zmenšování pod 100 nm

Konec éry křemíku

Konec klasické fyziky

Fyzický konec škálovaní u 1 nm, dál už jen jednotlivé atomy

Konec škálovaní na dohled co potom je zatím ve hvězdách 40 32 nm 2010

Stavebnice z jednotlivých atomů

Stavebnice z jednotlivých atomů Čisto (vakuum) jako v mezihvězdném prostoru 10 6 to 10 17 mbar 10 9 to 10 12 mbar

Stavebnice z jednotlivých atomů Růst po atomových vrstvách

Stavebnice z jednotlivých atomů Atomárně hladké vrstvy

Stavebnice z jednotlivých atomů Střídaní atomů ve vrstvě nebo od vrstvy k vrstvě

Stavebnice z jednotlivých atomů Kreslení atomy po povrchu

Stavebnice z jednotlivých atomů Kreslení atomy po povrchu 35 atomů xenonu na povrchu niklu (1990)

Stavebnice z jednotlivých atomů Výměna atomů Křemík (Si) za cín

Atomové jádro MeV (10 6 ev) Atom

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

Elektron - ika Elementární částice elektron: Náboj Q 1.60217646 10 19 C hmotnost m 9.10938188 10 31 kg Síla vnějšího electrického pole na elektron QE ma - Co dál s elektronem?

Kvantová relativistická fyzika 2 p 1 2 E mv 2m 2 i ( r, t) t 2 2 ( r, t) 2 2m r

Kvantová relativistická fyzika E mc 2, m 1/ (1 m v 2 0 / c 2 )

Kvantová relativistická fyzika

time Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu space

time Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu space Spin-up

time Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu space Spin-down

time Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu space Kvantová fyzika: libovlná kombinace také možná a + b

time Elektronika s kvantovými bity a kvantovým počítáním Klasické 2 bity a počítání buď 00 11 10 01 nebo nebo nebo space 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 2 4 10 1024 100 1267650600228229401496703205376

Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)

Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino) spin a pohyb se vzájemně ovlivňují E cp s

Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi neutrino graphene E cp s E vp s Elektron v jedné atomové vrstvě uhlíku (graphenu): = kapesní neutrino rychlost v c / 300 Geim & Novoselov, Nobelova cena 2010

Spin je magnetický moment m Elementární magnetický moment (Bohrův magneton) Energie v magnetickém poli m 5. 7883 10 E B m B 5 ev/t

Spintronika malé shrnutí Elektron nese elementární (záporný) naboj

Spintronika malé shrnutí 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

Spintronika malé shrnutí 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

Spintronika malé shrnutí 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

Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče Kolektivní chování spinů snadné ovládání a velký signál

Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče Kolektivní chování spinů snadné ovládání a velký signál a paměť

První spintronické prvky v magnetických sensorech Spintronické čtecí hlavy Indukční čtecí hlavy (cívka) Anisotropní magnetoresistance (AMR) 1850 s 1990 s Lord Kelvin 1857 Giantická magnetoresistance (GMR) 1988 1997 Grünberg & Fert `88, Nobelova cena 2007

Spintronika umožnila obrovské zvýšení kapacity pevných disků První pevný disk (1956) - MB Dnešní mikro-disk - 100 GB

Spintronická operační paměť v čipu - MRAM RAM čip, který nezapomíná nehybný pevný disk Prvni 4Mb MRAM 2006

Spintronika umí několik funkcí v jedné součástce: číst, pamatovat si i zapisovat informaci GB MRAM ~2015 Zápis pomocí spinově polarizovaných proudů

Snaha integrovat spintroniku do polovodičových součástek Spintronický transistor procesor stálá a operční paměť, procesor - vše v jednom čipu

Jeden přístup: udělat z obyčejného polovodiče feromagnetický Zatlouct železný hřebík do křemíkové desky není správná cesta

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

Spintronický transistor Spinové ovládání elektroniky Elektrické ovládání spintroniky V G1 V G0

Jiná možnost je ochočit spiny v nemagnetickém polovodiči Spin závisí na pohybu elektronu F SO F SO I E Zmagnetované hrany (spinový Hallův jev)

Spinový Hallový mikročip Supravodivý magnet Stejná magnetizace v polovodiči dosažená pomocí milionkrát menších proudů i rozmerů

Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit + + + + Injektované spinově polarizované proudy budí příčné elektrické napěti

Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit + + + + + + + + + + + + + Ustálený stav

Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit + + + + + + + Spiny působí na proud ale i proud může působit na spiny

Spintronický transistor + + + + + + + Elektrony stále proudí matipuluje se spin

Spintronický transistor + V G + + + + + + + + + + Elektrony stále proudí matipuluje se spin

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

V G2 [V] + Spintronický transistor: experimentání realizace V G2 V G1 R H2 R H1 2 m I PH V B Elektrony stále proudí matipuluje se spin 0.25 0-0.25-0.5-0.75 0.25 0-0.25-0.5-0.75 Hall bar 2 0-1 0 0 0 +1 0 0-0.5 VG1-0.25[V] 0 0.25 R H2 [ ] + - -4-3.0 0 0.0 +4 3.0 AND 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1

Kvantová relativistická fyzika

Kvantová fyzika částice i vlna zároveň p 2m 1 2 2 2 částice E ( mv )

r -i p t i E, Kvantová fyzika částice i vlna zároveň přechod od klasické ke kvantové fyzice )] sin( ) [cos( ), ( t r k i t r k A t r vlna vlnové číslo p k frekvence E ), ( 2 ), ( 2 2 2 2 2 t r r m t r t i m p E

Relativistická fyzika time space

Relativistická fyzika time - Absence absolutní vztažné soustavy (etheru) - Maximální rychlost (rychlost světla ve vakuu) stejná ve všech inerciálních soustavách 1 1 v c 2 2 space 4-rozměrný časoprostor x' ( x t' ( t vt) vx/ 2 c ) Energie a hmotnost E m mc m 2 0

Kvantová-relativistická fyzika time 4-rozměrný časoprostor x' ( x t' ( t vt) vx/ 2 c ) Energie a hmotnost E m mc m 2 0 space E 2 nerelativisticky p 1 2 i, p -i E ( mv ) t r 2m 2 t ( ) r 2

Kvantová-relativistická fyzika time 4-rozměrný časoprostor x' ( x t' ( t vt) vx/ 2 c ) Energie a hmotnost E m mc m 2 0 space E i, p -i nová vlnová rovnice pro dvě nerozlučné vlny t r (vlastně čtyři, ale ty další dvě pro antičástice)

End of the CMOS scaling era Konec škálovaní na dohled co potom je zatím ve hvězdách 40 32 nm 2010

End of the CMOS scaling era 1b transistors on a chip

End of the CMOS scaling era

Mott inverse magnetoresistance device: spin transfer torque write with current STT-MRAM electron flux electron flux M fixed M free M fixed M free M free rotates towards M fixed parallel alignment M free rotates away from M fixed antiparallel alignment

Dirac inverse magnetoresistance device: spin-orbit FMR Fang, Kurebayashi, Wunderlich, Vyborny, Zarbo, Campion, Casiraghi, Gallagher, Jungwirth and Ferguson, Nature Nano. 2011

Mott spintronics paradigm: two-spin-channel model of ferromagnets Relies on spin-transport between ferromagnets Dirac spintronics paradigm: quantum-relativistic spin-orbit coupling Relies on a single spin-orbit coupled magnet (or non-magnet)

Ferromagnetism = Pauli exclusion principle & Coulomb repulsion can be as strong as bonding in solids total wf antisymmetric = orbital wf antisymmetric * spin wf symmetric (aligned) DOS DOS Mott majority and minority spin channels

Spin-orbit coupling from classical E&M and postulated electron spin nucleus rest frame electron rest frame I Qv Q 0 I r r B 4 r 4 r 3 E 3 0 B 1 0 0v E 2 c v E H SO g B e S B mc 2 2 2 S v E Lorentz transformation Thomas precession

Ohmic Mott device: GMR Fert, Grünberg, 1988 Spin-channel-dependent scattering

Tunneling Dirac device: TAMR Gould, Ruster, Jungwirth, Molenkamp et al. 2004 Magnetization-orientation-dependent tunneling DOS