Spintronik staje się chiralny

Czyste pomieszczenie Fraunhofer IPMS z urządzeniami o rozmiarze 300 mm do badań i rozwoju. © Fraunhofer IPMS / Czyste pomieszczenie o wymiarze 300 mm w Fraunhofer IPMS © Fraunhofer IPMS

Urządzenia do wytwarzania cienkich warstw w MPI CPfS. © MPI CPfS / Narzędzia do produkcji cienkich filmów w MPI CPfS © MPI CPfS

Elementy spintroniczne opierają się na wykorzystaniu podstawowego momentu elektronu do przesyłu i przechowywania informacji. Ich zastosowanie nie wymagałoby przepływu ładunku do ich działania i prowadziłoby do zwiększonej efektywności energetycznej przy mniejszym zużyciu energii, wyższej prędkości przetwarzania danych oraz lepszej integracji pamięci i logiki. Jednak potrzebne są odpowiednie materiały do nowych implementacji spintroniki. Ich produkcja i analiza wymagają najnowocześniejszych metod nanotechnologii. Dlatego naukowcy z Instytutu Max-Plancka ds. Chemicznej Fizyków Ciała Stałego oraz Instytutu Fraunhofera ds. Fotonicznych Mikrosystemów IPMS rozpoczęli wspólny projekt badawczy nad nowymi materiałami do spintroniki. Projekt jest finansowany przez Szwajcarską Bank Rozwoju.

Technologie przetwarzania informacji i przechowywania danych, na przykład dla pamięci komputerowej czy dysków twardych w centrach danych, obecnie opierają się na przepływie ładunków, które wiążą się z stratami i wysokim zużyciem energii. Alternatywną koncepcją jest nowoczesna technologia CMOS, wykorzystująca moment magnetyczny każdego elektronu, cechę kwantową zwaną „Spinem”. Umożliwia to wyższą prędkość przetwarzania danych i lepszą integrację pamięci i logiki przy ogólnie mniejszym zużyciu energii. Aby osiągnąć te cele, konieczne jest znalezienie nowych materiałów o pożądanych właściwościach, które pozwoliłyby na wysoką efektywność przepływu spinów. W tym celu powstał projekt „Topologiczna spintronika: materiały kompatybilne z CMOS z rodziny B20” realizowany przez Instytut Max-Plancka ds. Chemicznej Fizyków Ciała Stałego oraz Fraunhofer IPMS.

Chiralne kryształy to obiecująca klasa materiałów, których zastosowania w spinowej elektronice są jeszcze w dużej mierze nieodkryte. W chiralnych materiałach atomy, z których składa się kryształ, mogą występować w dwóch nierównoważnych układach, które wyglądają jak swoje lustro — podobnie jak prawa i lewa ręka, które nie nakładają się na siebie, gdy obie dłonie skierowane są do dołu — zjawisko to nazywa się chiralnością. Projekt ma na celu wypełnienie luki pomiędzy zrozumieniem związku między chiralnością a przepływem spinów a oceną potencjału chiralnych materiałów do zastosowań elektronicznych.

Instytut Max-Plancka ds. Chemicznej Fizyków Ciała Stałego oraz Fraunhofer IPMS połączyły siły, aby badać właściwości niemagnetycznych materiałów chiralnych i wyjść poza dotychczasową wiedzę. Finansowanie przez Szwajcarską Bank Rozwoju dla projektu „Topologiczna spintronika: materiały kompatybilne z CMOS z rodziny B20” umożliwia instytutom z Drezna inwestycje w nowe urządzenia do ich nowoczesnych badań i rozwoju. Partnerzy będą korzystać z doskonałego wyposażenia do wzrostu materiałów, aby badać nowe chiralne materiały o wysokiej konwersji ładunku na spin. Materiały te będą integrowane w produkcję wysokiej jakości elementów magnetycznych do przyszłych zastosowań spintronicznych.

Zespół prof. Claudii Felser z Instytutu Max-Plancka ds. Chemicznej Fizyków Ciała Stałego w Dreźnie jest międzynarodowo znany z badań nad nowymi topologicznymi materiałami kwantowymi. „Spin i ładunek elektronów w chiralnych kryształach otwierają nową drogę dla nowoczesnej elektroniki wysokiej prędkości, ale droga od materiału do elementu jest jeszcze długa,” mówi prof. Claudia Felser, dyrektorka Instytutu Max-Plancka w Dreźnie. „Z naszymi kolegami z Fraunhofer IPMS mamy możliwość skrócenia tej drogi.” – „Ten projekt łączy naszą wiedzę na temat topologii, wzrostu wysokiej jakości epitaksjalnych cienkich warstw oraz nasze doświadczenie w spintronice i pozwoli nam odkrywać nowe materiały z rodziny B20 o wysokiej efektywności,” dodaje dr Anastasios Markou, lider grupy w zespole Felser.

„Ta współpraca wyniesie nas na kolejny poziom. Z naszymi kolegami z Instytutu Max-Plancka możemy pracować z materiałami, które jeszcze nie są dostępne w świecie CMOS,” uzupełnia dr Maik Wagner-Reetz, odpowiedzialny za działalność spintroniki w Fh IPMS. Centrum Nanoelectronic Technologies Fraunhofer IPMS rozwija rozwiązania dla procesów i elementów na poziomie wafli 300 mm, umożliwiające transfer wyników badań podstawowych do przemysłu. Do głównych kompetencji należą integracja nowych materiałów i produkcja elementów kompatybilnych z CMOS na poziomie 300 mm.

Referencje

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