Кратко и по существу.
Почему спин важен
- Спин — дополнительная степень свободы электрона, несущая магнитный момент: ${\mu }_B=\frac{e\hslash }{2m_e}$. Он даёт возможности управления состоянием вещества и тока без перемещения заряда (или вместе с ним): формирует магнетизм (обменные взаимодействия), спин-зависимую плотность состояний и рассеяние электронов, а значит — влияет на проводимость, магнитную анизотропию, спинорбитальные эффекты и пр.
Эффект гигантского магнитосопротивления (GMR) — пример
- В многослойных структурах F/N/F (ферромагнит/немагнит/ферромагнит) электроны с разной ориентацией спина рассеиваются по-разному. Для параллельной (P) ориентации сопротивление меньше, для антипараллельной (AP) — больше. Обозначая сопротивления R, величина эффекта
$\mathrm{GMR}=\frac{R_{\mathrm{AP}}-R_{\mathrm{P}}}{R_{\mathrm{P}}}$.
- В простейшей двухтоковой модели проводимости для спин-↑ и спин-↓: $\sigma ={\sigma }_{\uparrow }+{\sigma }_{\downarrow }$. Меняя относительную ориентацию намагниченностей, меняют вклад ${\sigma }_{\uparrow ,\downarrow }$ и суммарную проводимость.
Как используются спиновые эффекты в спинтронике
- Чтение/запись в MRAM: магнитные туннельные переходы (MTJ) с туннельным магнитосопротивлением (TMR) читают состояние по сопротивлению; запись реализуют спин-торком (STT) или спин-орбитальным торком (SOT).
- Спин-статические элементы: магнитные датчики (GMR, TMR), спиновые клапаны.
- Генерация/детекция спин-токов: спиновый Холл эффект, обратный спиновый Холл эффект, спиновые пумипинги.
- Логика и транзисторы: идеи типа Datta–Das (спин-зависимая проводимость), перспективы спиновых кюбитов для квантовых вычислений.
- Фигуры мерита: степень поляризации спина $P$, спин-Холл-угол ${\theta }_{\mathrm{SH}}$, величина TMR/GMR и длина спиновой диффузии.
Физические ограничения и проблемы
- Распад спиновой поляризации: финитная спиновая длина диффузии ${\lambda }_s=\sqrt{D{\tau }_s}$ (где $D$ — коэффициент диффузии, ${\tau }_s$ — время релаксации спина). Малые ${\tau }_s$ ограничивают расстояние и время передачи спина.
- Механизмы релаксации: Elliott–Yafet, Dyakonov–Perel, магнитные примеси, сильный спин‑орбитальный разброс — всё сокращает ${\tau }_s$ и ${\lambda }_s$.
- Вопрос инжекции спина в полупроводники: импедансное несоответствие контакт/субстрат снижает эффективность передачи спин-потока.
- Энергия и критические токи: для переключения STT нужен критический ток плотности примерно $j_c\sim \frac{2e}{\hslash }\alpha M_{s}t{H}_{\mathrm{eff}}$ (приближённо), где $\alpha$ — демпфинг Гилберта, $M_s$ — намагниченность, $t$ — толщина ферромагнетика. Высокие $j_c$ увеличивают энергопотребление и деградацию.
- Тепловая стабильность и масштабирование: требование надёжного хранения $\Delta =\frac{KV}{k_{B}T}$ (энергетический барьер делённый на $k_{B}T$), для долговременного хранения обычно $\Delta \gtrsim 40$. При уменьшении объёма $V$ возникает суперпарамагнетизм.
- Интерфейсные и материаловные проблемы: грубые интерфейсы, окисление, несовместимость с CMOS, недостаточная поляризация спина, высокий демпфинг, малый ${\theta }_{\mathrm{SH}}$.
- Скорость и шум: демпфинг и термические флуктуации ограничивают минимальное время переключения и надежность.
К чему это сводится
- Спин даёт дополнительные возможности (энергорентабельное хранение, новые функциональные элементы), но практическая эффективность зависит от материалов (длинная ${\lambda }_s$, малая $\alpha$, высокая поляризация), интерфейсов и преодоления ограничений по тепловой стабильности, инжекции и потребляемому току.