Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ...

40
Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СПИНТРОНИКЕ Л. Р. Тагиров Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Upload: candra

Post on 06-Jan-2016

119 views

Category:

Documents


5 download

DESCRIPTION

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур. Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СПИНТРОНИКЕ Л . Р. Тагиров. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ

МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СПИНТРОНИКЕ

Л. Р. Тагиров

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 2: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Содержание Что такое Спинтроника

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR)

Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски)

Новые направления уплотнения записи: среды записи,технологии записи, сенсоры для чтения

Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления,магниторезистивная память произвольной выборки

Сверхпроводящая спинтроника

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 3: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

S=1/2

Charge plus Spin

Два состояния - бит?Движение носителей заряда в полупроводникахмедленное, рекомбинация электронов и дырок тоже

СПИНовая элекТРОНИКА - СПИНТРОНИКА

Две проекции

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 4: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Как спин может быть использован в электронике?

Спин S = ½ имеет две проекции на ось квантования: Sz = ±½ ( ) – основа для бинарной записи информации

ПРОБЛЕМА – выбранная проекция электронного спина сохраняется при комнатной температуре очень короткое

время – измеряется в наносекундах (нсек)

ВЫВОД - электронным спином можно манипулировать

в МАГНИТНЫХ НАНОСТРУКТУРАХ – гетероструктурах с характерными размерами, на которых электроны

СОХРАНЯЮТ СВОЙ СПИН

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 5: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Основа СПИНТРОНИКИ – магнитные наноструктуры

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 6: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Содержание Что такое Спинтроника

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR)

Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски)

Новые направления уплотнения записи: среды записи,технологии записи, сенсоры для чтения

Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления,магниторезистивная память произвольной выборки

Сверхпроводящая спинтроника

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 7: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

.

Проф. A. Fert (France)

Проф. P. Gruenberg(Germany)

Nobel Prize 2007

Nobel Prize 2007

Открытие гигантского магнитосопротивленияв мультислоях Fe/Cr

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 8: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Проф. Питер Грюнберг в Казани (2007)

Ауд. 2 физ. Раифа

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 9: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Prof. B. Dieny (France)

Director of SPINTECH Inc.

B. Dieny и др.JAP 69, 4774 (1991)

Концепция спинового клапана Денú

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 10: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Механизмы гигантского магнитосопротивления

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 11: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Приложения эффекта гигантскогомагнитосопротивления

СЕНСОРЫИ

РАЗВЯЗКИ

0.9 мм

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 12: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Содержание Что такое Спинтроника

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR)

Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски)

Новые направления уплотнения записи: среды записи,технологии записи, сенсоры для чтения

Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления,магниторезистивная память произвольной выборки

Сверхпроводящая спинтроника

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 13: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Применение гигантского магнитосопротивленияв магнитной записи информации – сегодняшний день

Среды для магнитной записи – ферромагнитные металл. пленки, плотность записи – до 3 Гигабит/см2

(1 Гигабит = 1 миллиард бит)(1 нанометр = 1 миллиардная метра)

Головки записи-чтения на эффектегигантского магнитосопротивленияв ферромагнитных мультислоях – ширина дорожки записи – 200 нм,длина записи бита –100 нм

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 14: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Параллельная и перпендикулярная запись информации – сегодняшний день

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 15: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

HDD ноутбука

Серия - 2006 год2010 – ВСЕ производители

выпускают 500 млн./год

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 16: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Содержание Что такое Спинтроника

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR)

Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски)

Новые направления уплотнения записи: среды записи,технологии записи, сенсоры для чтения

Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления,магниторезистивная память произвольной выборки

Сверхпроводящая спинтроника

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 17: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Ближайшее будущее технологии записи

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 18: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Перспективы увеличения плотности записиинформации на жестких дисках компьютеров:

нанструктурированная среда записи

Квантовый магнитный диск – среда записи, состоящая из ферромагнитных НАНО-столбиков

Плотность записи – от 20 Гб/см2 (слева)до 100 Гб/см2 (справа)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 19: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Перспективы увеличения плотности записиинформации на жестких дисках компьютеров:

лазерный прогрев среды перпенд. записи

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 20: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Проблема – сенсор магнитного поля размером 10-20 nm

Возможное решение – магнитные наноконтакты

Геометрически ограниченная доменная стенка – очень тонкая

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 21: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Гигантское магнитосопротивление в наноконтактах («баллистическое» магнитосопротивление, КФУ-2001)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 22: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

H.D. Chopra et al, PRB 71, 024412 (2005)

Nat. Mater. 4, 832 (2005)

Электролитическая технология изготовления,квантование проводимости (КФУ+ КФТИ РАН)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

j = σE

Page 23: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Магнитосопротивление в условиях квантования проводимости – квантовый спиновый клапан (КФУ – 2002-2007)

(Л.Р. Тагиров и др., PRB 65, 214419 (2002), J.M.M.M. 258-259, 61 (2003);

M.Ye. Zhuravlev, E.Y. Tsymbal, S.S. Jaswal et al., Appl. Phys. Lett. 83, 3534 (2003))

L.R. Tagirov, K.B. Efetov, in NATO Science Series II (v. 143 ed. by B. Aktaş, L.R. Tagirov and F. Mikailov, 2004), p. 393-417.

H.D. Chopra и др., Nature Materials, v. 4, p. 832 (2005)

Теория (2002-2004)Эксперимент (2005)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 24: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Содержание Что такое Спинтроника

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR)

Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски)

Новые направления уплотнения записи: среды записи,технологии записи, сенсоры для чтения

Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления,магниторезистивная память произвольной выборки

Сверхпроводящая спинтроника

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 25: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Туннельное магнитосопротивление(TMR или TGMR)

Квантовое туннелированиечерез диэлектрический барьер(слой окисла в 1-2 нанометра)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 26: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Туннельное магнитосопротивление:как это делается

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 27: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Δ

Туннельное магнитосопротивление:для чего это делается - ТМРАМ

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

H. Ohno -> 2011

Page 28: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

ТМРАМ в сравнении с другими

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 29: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Содержание Что такое Спинтроника

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС=GMR)

Приложения эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитной записи информации (жесткие диски)

Новые направления уплотнения записи: среды записи,технологии записи, сенсоры для чтения

Приложения эффекта туннельного магнитосопротивления,магниторезистивная память произвольной выборки

Сверхпроводящая спинтроника

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 30: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Сверхпроводящая ячейка памяти Бисли (M.Beasley)

[Applied Physics Letters 71, 2376 (1997)]

Kapitulnik Geballe Beasley Group

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 31: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

SP SAP N

APP

Phase-dependentperturbation in SC

L. Tagirov (PRL/99) + A. Buzdin et al. (EPL/99)

Альтернативный дизайн сверхпроводящейячейки памяти (КФУ-1999)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 32: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Триплетное спаривание в гетероструктурах С-Ф: триплетный спиновый клапан (КФУ+Ландау ИТФ -2010)

F.S. Bergeret, A.F. Volkov and K.B. Efetov, PRL 86, 4096 (2001);A.F. Volkov, F.S. Bergeret and K.B. Efetov, PRL 90, 117006 (2003);F.S. Bergeret, A.F. Volkov and K.B. Efetov, PMP 77, 1321 (2005);

Нечетная по частотеТРИПЛЕТНАЯ ВФ с ±1

проекцией спина (дальнодействующая

требуется неколлинарнаямагнитная конфигурация

в гетероструктуре СФ)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 33: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Триплетное спаривание в гетероструктурах С-Ф: триплетный спиновый клапан (КФУ+Ландау ИТФ -2010)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

-TRIPLET- INVERSE

- DIRECT

TtWORK

TdWORK

TiWORK

APP

Page 34: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

КФТИ РАН - 2010

Page 35: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

dF2=0.5 nm dF2=1.3 nm

(КФТИ РАН - 2011)

Теория КФУ2010

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 36: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Сверхпроводящие спиновые клапаны: что это такое «в разрезе» (КФУ-УА,2003-2011)

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 37: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

.

Новая высоковакуумная система для молекулярно-лучевой эпитаксии, магнетронного напыления

и наноструктурирования с помощью фокусированных ионных пучков

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Сверхпроводящие спиновые клапаны: на чем это делается (КФУ-2012)

Page 38: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Спасибо завнимание

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 39: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Успехи наших коллег (ИФТТ РАН, Черноголовка) в развитии сверхпроводящей электроники

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур

Page 40: Кафедра Физики твердого тела Института физики КФУ МАГНИТНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Казанский федеральный университет Кафедра Физики твердого тела

Лаборатория Физики Магнитных Наноструктур