Spintronik se stává chirální

Čistý prostor Fraunhofer IPMS s 300mm zařízeními pro výzkum a vývoj. © Fraunhofer IPMS / Čistý prostor o rozměrech 300 mm v Fraunhofer IPMS © Fraunhofer IPMS

Zařízení pro výrobu tenkých vrstev v MPI CPfS. © MPI CPfS / Nástroje pro výrobu tenkých vrstev v MPI CPfS © MPI CPfS

Spintronické prvky založené na využití fundamentálního elektronového spinu pro přenos a ukládání informací. Jejich použití by nevyžadovalo žádné náboje pro svůj provoz a vedlo by ke zlepšení energetické účinnosti s nižší spotřebou energie, vyšší rychlostí zpracování dat a lepší integrací paměti a logiky. Nicméně jsou potřeba vhodné materiály pro nové spintronické implementace. Jejich výroba a analýza vyžadují nejmodernější metody nanotechnologie. Proto vědci z Max-Planck-Institutu pro chemickou fyziku pevných látek a Fraunhoferova institutu pro fotonické mikrosystémy IPMS zahájili společný projekt na výzkum nových materiálů pro spintronicu. Projekt je financován od Sächsischen Aufbaubank.

Technologie zpracování informací a datových úložišť, například pro počítačové paměti nebo pevné disky v datových centrech, dnes spoléhají na použití nábojových proudů, které jsou přirozeně spojeny se ztrátami a vysokou spotřebou energie. Alternativní koncept nabízí moderní CMOS technologie, která využívá magnetický moment každého elektronu, což je kvantová vlastnost nazývaná „spin“. To umožňuje vyšší rychlost zpracování dat a lepší integraci paměti a logiky při celkově nižší spotřebě energie. K dosažení těchto cílů je potřeba především najít nové materiály s požadovanými vlastnostmi, které umožní vysokou účinnost spinových proudů. Zde přichází na řadu projekt „Topologická spintronika: CMOS-kompatibilní materiály z rodiny B20“ Max-Planck-Institutu pro chemickou fyziku pevných látek a Fraunhoferova institutu pro fotonické mikrosystémy IPMS.

Chirální krystaly jsou slibnou třídou materiálů, jejichž možnosti využití v spinové elektronice jsou stále z velké části neprozkoumané. V chirálních materiálech mohou být atomy, ze kterých krystal sestává, uspořádány ve dvou nerovnocených uspořádáních, která vypadají jako zrcadlové obrazy jedna druhé. To je srovnatelné s naší pravou a levou rukou, které nelze přesně překrýt, pokud obě dlaně směřují dolů – nazývá se to chirality. Cílem projektu je zaplnit mezeru mezi porozuměním vztahu mezi chirality a spinovými proudy a hodnocením potenciálu chirálních materiálů pro elektronické aplikace.

Max-Planck-Institut pro chemickou fyziku pevných látek a Fraunhofer IPMS se spojily, aby prozkoumaly vlastnosti nemagnetických chirálních materiálů a šly nad rámec dosavadních znalostí. Financování od Sächsischen Aufbaubank umožňuje dresdenským institucím investovat do nových zařízení pro jejich moderní výzkum a vývoj. Partneři využijí vynikající vybavení pro růst materiálů k výzkumu nových chirálních materiálů s vysokou konverzí náboje-spin. Tyto materiály budou integrovány do výroby vysoce kvalitních magnetických prvků pro budoucí spintronické aplikace.

Skupina profesorky Claudie Felserové z Max-Planck-Institutu pro chemickou fyziku pevných látek v Drážďanech je mezinárodně známá svým výzkumem nových topologických kvantových materiálů. „Spin a náboj elektronů v chirálních krystalech otevírají novou cestu pro novou vysokorychlostní elektroniku, ale cesta od materiálu ke komponentu je dlouhá,“ říká profesorka Claudia Felser, ředitelka Max-Planck-Institutu v Drážďanech, „a s kolegy z Fraunhofer IPMS máme možnost zkrátit tuto cestu.“ „Tento projekt kombinuje naše odborné znalosti v oblasti topologie, růstu vysoce kvalitních epitaktických tenkých vrstev a naše zkušenosti se spintronikou a umožní nám objevit nové spin-Hallové materiály z rodiny B20 s vysokou účinností,“ říká Dr. Anastasios Markou, vedoucí skupiny Felserové.

„Toto partnerství nás posune na další úroveň. S kolegy z Max-Planck-Institutu můžeme pracovat s materiály, které ještě nejsou dostupné ve světě CMOS,“ doplňuje Dr. Maik Wagner-Reetz, který je zodpovědný za aktivity spintroniky na Fh IPMS. Centrum Nanoelektronických technologií Fraunhofer IPMS vyvíjí řešení pro procesy a prvky na úrovni 300 mm waferů, která umožní přenos výsledků základního výzkumu do průmyslové praxe. Mezi hlavní kompetence patří integrace nových materiálů a výroba CMOS-kompatibilních prvků o rozměru 300 mm.

Reference

[1] P. Narang, C. A. C. Garcia, C. Felser, Nat. Mater. 20, 293 (2021).
[2] N. Kumar, S. N. Guin, K. Manna, C. Shekhar, a C. Felser, Chem. Rev. 121, 2780 (2021).
[3] N. B. M. Schröter, [...] & C. Felser, Science 369, 179 (2020).
[4] M. Yao, [...] & C. Felser, Nat. Commun. 11, 2033 (2020).