A spintronika chiral lesz

Személyre szabott tisztatér a Fraunhofer IPMS-nél 300 mm-es berendezésekkel kutatás és fejlesztés céljából. © Fraunhofer IPMS / 300 mm-es tisztatér a Fraunhofer IPMS-nél © Fraunhofer IPMS

Berendezések a vékony rétegek gyártásához a MPI CPfS-nél. © MPI CPfS / Gyártási eszközök vékony filmekhez a MPI CPfS-nél © MPI CPfS

Spintronikus elemek az alapvető elektronspin felhasználásán alapulnak az információátvitel és -tárolás terén. Alkalmazásuk nem igényel töltésáramokat működésükhöz, és javított energiahatékonyságot eredményeznek alacsonyabb áramfogyasztással, magasabb adatfeldolgozási sebességgel, valamint jobb integrációval a memória- és logikai elemek között. Ugyanakkor megfelelő anyagokra van szükség új spintronikus megoldásokhoz. Ezek gyártása és elemzése a nanotechnológia legkorszerűbb módszereit igényli. Ezért a Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe és a Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS közös projektet indítottak új anyagok kutatására a spintronikában. A projekt támogatását a Szászországi Fejlesztési Bank biztosítja.

Az információfeldolgozó és adattároló technológiák, például számítógépes memória vagy merevlemezek a adatközpontokban, ma a töltéshordozók alkalmazásán alapulnak, amelyek természetüknél fogva veszteségekkel és magas energiafogyasztással járnak. Alternatívát kínál a modern CMOS-technológia, amely az egyes elektronok mágneses momentumát használja, egy kvantumjellemzőt, amit „Spin”-nek neveznek. Ez lehetővé teszi magasabb adatfeldolgozási sebességet és jobb integrációt a memória- és logikai elemek között, összességében alacsonyabb energiafogyasztással. Ezen célok eléréséhez elsősorban új anyagokra van szükség, amelyek magas hatékonyságot biztosítanak a spináramok számára. Ebben nyújt segítséget a „Topologische Spintronik: CMOS-kompatibilis anyagok a B20 családból” nevű projekt, amelyet a Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe és a Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS indított.

Chirális kristályok egy ígéretes anyagcsoportot képeznek, melyek alkalmazási lehetőségei a spin-alapú elektronikában még nagymértékben kutatásra várnak. Chirális anyagokban az alkotó atomok két nem egyenértékű elrendezésben fordulhatnak elő, amelyek egymás tükörképeihez hasonlóak. Ez hasonló a jobb és bal kézhez, amelyek nem helyezhetők egymásra, ha mindkét tenyér lefelé néz. Ezt a tulajdonságot chiralitásnak nevezik. A projekt célja, hogy betöltse az űrt a chiralitás és spináramok közötti összefüggés megértése, valamint a chirális anyagok elektronikai alkalmazásokban való potenciáljának értékelése között.

A Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe és a Fraunhofer IPMS összefogtak, hogy kutassák a nem-magnetikus chirális anyagok tulajdonságait, és túllépjenek a korábbi ismereteken. A Szászországi Fejlesztési Bank támogatásával a „Topologische Spintronik: CMOS-kompatibilis anyagok a B20 családból” projekt lehetővé teszi a drezdai intézetek számára, hogy új eszközöket fejlesszenek ki modern kutatásaik és fejlesztéseik érdekében. A partnerek kihasználják a kiváló anyagnövesztő berendezéseket, hogy új chirális anyagokat kutassanak magas töltés-spin átalakítási hatékonysággal. Az anyagokat magas minőségű mágneses elemek gyártására integrálják a jövő spintronikus alkalmazásaihoz.

Prof. Claudia Felser csoportja a Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe-ben Drezdában nemzetközileg ismert az új topológikus kvantumanyagok kutatásáról. „Az elektronok spinje és töltése chirális kristályokban új utat nyit a magas sebességű elektronika számára, de hosszú az út az anyagtól az elemig”, mondja Prof. Claudia Felser, a Max-Planck-Institut igazgatója Drezdában. „A Fraunhofer IPMS-szel közösen lehetőségünk van egy rövidebb útra.” „Ez a projekt ötvözi a topológia területén szerzett szakértelmünket, a magas minőségű epitaxiális vékonyrétegek növesztését és spintronikai tapasztalatainkat, így lehetőség nyílik új Spin-Hall anyagok felfedezésére a B20 családból, magas hatékonysággal”, mondja Dr. Anastasios Markou, a Felser csoport vezetője.

„Ez a partnerség a következő szintre emel minket. A Max-Planck-Institut kollégáival olyan anyagokon dolgozhatunk, amelyek még nem elérhetők a CMOS világában”, egészíti ki Dr. Maik Wagner-Reetz, aki a spintronika tevékenységekért felelős a Fh IPMS-nél. A Fraunhofer IPMS Nanoelectronic Technologies központja megoldásokat fejleszt 300 mm-es szilíciumlapokra az alapkutatások eredményeinek ipari alkalmazásba való átültetéséhez. Legfontosabb kompetenciák közé tartozik az új anyagok integrálása és a 300 mm-es CMOS-kompatibilis elemek gyártása.

Referenciák

[1] P. Narang, C. A. C. Garcia, C. Felser, Nat. Mater. 20, 293 (2021).
[2] N. Kumar, S. N. Guin, K. Manna, C. Shekhar, és 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).