Spintronika
6. 5. 2011
Známé postupy vývoje mikroelektronických součástek se v podstatě vyčerpaly – co bude dál, je zatím, ve hvězdách. A platí to doslova – je to ve hvězdách, nebo-li v kvantové relativistické fyzice. Spin elektronu totiž představuje základní mikroskopický element pro vznik magnetických materiálů, bez kterých si dnes neumíme představit elektronické součástky budoucnosti pro ukládání a čtení digitální informace.
Přicházíme do laboratoře elektronové litografie Fyzikálního ústavu Akademie věd. Právě tady probíhají průkopnické práce na zcela nové třídě materiálů, které jednou nahradí současné polovodiče. V těchto prostorách se odehrává součást výzkumu, který se postupně odvíjí od původní vize přes mikroskopické výpočty a technologickou přípravu materiálu až po experimentální ověření. Tady se vyrábí miniaturní elektronické součástky. Proto se musí dodržovat speciální režim, který zadrží veškerý prach. Každé smítko by znamenalo pohromu. Všichni příchozí si proto berou návleky, pláště a čepice a procházejí vzduchovou sprchou.
Ing. Vít Novák, CSc., Oddělení spintroniky a nanoelektroniky, Fyzikální ústav AV ČR: Toto je laboratoř litografie a elektronové litografie a je umístěná v tzv. čistých prostorech. To je důležitá podmínka, protože struktury, které se tady připravují, se blíží řádově velikostem desítek atomů a tam samozřejmě každá nečistota, která by se na povrch takové struktury dostala, může úplně zásadním způsobem ovlivnit chování, pokud vůbec umožní funkcí té součástky.
Pracuje se tu se světlocitlivými materiály, na které elektronový litograf jemným paprskem kreslí tvary v rozměrech nanometrů. Jediné použitelné světlo v místnosti má proto žlutou barvu. Co se tu vlastně za tak speciálních podmínek vyrábí? Spintronické součástky. Spintronika představuje nové a slibně se rozvíjející odvětví elektroniky. Na rozdíl od klasické elektroniky však přestává pracovat s kovy, což často vyžadovalo exotické a drahé sloučeniny. Místo toho se orientuje na nanostruktury z organických molekul nebo z uhlíku.
Spintronika navíc nepracuje s nábojem elektronu, ale s jeho druhou kvantovou vlastností, které se říká spin. Spin je vlastnost elementárních částic, která v našem makrosvětě nemá fyzikální obdobu. Každá částice se svým způsobem chová jako miniaturní setrvačník nebo gyroskop, který rotuje kolem své osy. Spin může mít kladné nebo záporné znaménko – podle směru “rotace”, při které vzniká miniaturní magnetický moment. Tento měnící se magnetický moment se vědci snaží ovládnout a využít k přenosu informace – právě na tom prý bude založena elektronika příštího tisíciletí.
prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D., Oddělení spintroniky a nanoelektroniky, Fyzikální ústav AV ČR: Překvapivě se na tuto vlastnost přišlo už před sto padesáti lety a to ještě dávno před tím, než lidé vůbec věděli, že nějaký spin elektronu existuje. To prováděl experimenty Lord Kelvin, mimochodem vědec, který založil termodynamiku, položil podmořský kabel mezi Evropou a Amerikou, tak se také zabýval elektronickými součástkami, měřil odpor magnetického materiálu železa a zjistil, že ten odpor se mění v závislosti na relativní orientaci proudu a magnetizace železa, což je vlastně základní jev spintroniky.
Asi až o padesát let později přišli vědci na to, co tento jev způsobuje, a spin elektronu popsali. Dalších osmdesát let trvalo, než našel své uplatnění v praxi. První spintronické součástky se objevily v devadesátých letech dvacátého století. Byly to senzory magnetického pole. Dnes se už běžně využívají ve čtecích hlavách pevných disků počítačů, které slouží k ukládání a čtení informací. Právě díky nim se kapacita disků výrazně zvýšila. Spintronická součástka funguje podobně jako elektromagnetická cívka.
prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR: Spintronika tu součástku obrovským způsobem zjednodušila a místo nějaké cívky my si vlastně můžeme vzít jenom nějaký kousek železa nebo kousek drátku, kousek odporu a tam to magnetické pole z té magnetické pásky vlastně vyvolá změnu magnetizace, změnu orientace spinů a v tom kousku železa a odpor takové součástky nebo elektrický proud se změní a to je vlastně ta senzitivita.
Dějiny elektroniky jsou historií neustálého zmenšování. Odstartoval ho vynález tranzistoru v roce 1947. Podle odborníků se ale současná technologie dostává na hranici svých možností. Nyní mají tranzistory na čipech asi sto nanometrů, zaujímají tedy velikost atomů. V jednom čipu jsou jich miliony. Další zmenšování naráží na fyzikální bariéru. Menší už to nejde.
prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR: Takže představa je taková, abychom mohli dál zmenšovat elektronické součástky, nebo dál zvětšovat jejich kapacitu, tak musíme najít nový fyzikální princip, musíme něco jiného spojit dohromady a ne ty klasické součástky dále zmenšovat, protože tam už není v podstatě žádný prostor daný přírodou.
Řešením by mohla být právě spintronika. Vědecký tým z Fyzikálního ústavu, který vede Tomáš Jungwirth, ho intenzivně hledá. V prosinci loňského roku publikovali v časopise Science návrh, jak by měl spinový tranzistor fungovat. Právě tato součástka by mohla znamenat důležitý průlom v elektronice. A obrovské zrychlení zpracování informací v procesorech počítačů. Vědci jsou však zatím na úplném začátku.
prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR: My jsme ukázali nějaký takový příklad, jak by se takový spinový tranzistor mohl v budoucnu sestavit, ale v žádném případě ten tranzistor není v současné době konkurenceschopný těm klasickým tranzistorům, byla to skutečně jenom práce, která ukázala v principu, že je něco takového možné na základě spinu vytvořit.
Vědci jsou nyní asi tam, kde byli průkopníci klasické elektroniky na přelomu 19. a 20. století. Spinový tranzistor prý ale jednou umožní nevídané věci. Dovolí konstrukci miniaturních zařízení, která budou spojovat několik funkcí současně. V dnešních počítačích informace zpracovávají procesory, zatímco jiné součástky – paměti – je uchovávají. Spintronické prvky umí obojí současně. Navíc dokážou informace udržet i bez přísunu energie a podle výrobců by mohly být dokonce výrazně levnější.
prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR: Taková ta představa, jakou máme dnes, co by byl potom takový ten ideální počítač, tak je, že místo toho, aby tam byly ty oddělené jednotky, kde máte procesor, operační paměti, to permanentní úložiště a ten pevný disk, takže toto všechno by se vešlo do toho jednoho mikročipu, a ta jedna látka a ten jeden materiál a v tom ta jedna struktura, ta jedna součástka by zároveň mohla tu jednu informaci zpracovávat, zároveň by si jí mohla uložit, zároveň zase když by potřebovala, tak si tu informaci zase přečíst a zároveň jí dál zpracovávat. Nebylo by potřeba mít k tomu různé diskrétní části v tom počítači.
Posunovat hranice spintroniky budou moci čeští vědci v příštích letech díky prestižnímu grantu od Evropské výzkumné rady. Jde o vůbec první takzvaný Advanced Grant udělený českému odborníku v oblasti věd o neživé přírodě. Do dalších pěti let bádání na spintronických součástkách přispěla Evropská rada částkou dvaašedesáti milionů korun.
Vzhledem k tomu, že spintronika je založena na kvantově-relativistickém jevu, bude kromě svého uplatnění v elektronice pozoruhodná i z hlediska pochopení základních vlastností pevných látek.
prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR: Je to projekt základního fyzikálního výzkumu, čili to primární v tom je, abychom pochopili základní fyzikální principy, na kterých takové součástky mohou fungovat, ale my v tom slibujeme i to, že budeme dělat i ten materiálový výzkum, že budeme ty materiály připravovat.
Právě nové materiály jsou základem spojení různých součástí do jedné. Zatímco procesory počítačů dnes fungují na bázi polovodičů, jejich paměti využívají feromagnetické kovy. Vědci navrhují materiál, který obě vlastnosti spojí do jednoho. Vytvářejí struktury, které v přírodě neexistují. Jako slibný se jeví například grafen. Čeští vědci zkoumají hlavně takzvané antiferomagnety – na rozdíl od feromagnetů se chovají magneticky jen uvnitř, nikoli navenek. Jsou to vlastně nemagnetické magnety.
prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR: My, když teď hledáme ty nové materiály, například ty antiferomagnetické polovodiče, tak se díváme do periodické tabulky prvků, díváme se, jaké jsou známé ty směsné polovodiče nemagnetické, a teď přemýšlíme, kdybychom tam daný atom nahradili nějakým nemagnetickým atomem, tak jestli by z toho nevznikl nějaký materiál, který běl jednak to magnetické chování a zároveň to byl polovodič.
Po dobu našeho povídání elektronový litograf tady v laboratoři vysoustružil další součástku. A tady už je zatavená do keramického nosiče. Struktury, které obsahuje, ale pouhým okem zdaleka neuvidíte. Už se můžeme těšit na menší čipy, větší paměti, účinnější fotovoltaické články i dokonalejší displeje.
Autor: Tereza Pultarová