Передача спинового момента от свободных носителей заряда магнитным атомам . <...> Инжекция спин-поляризованных носителей заряда в твердотельные структуры . <...> Спиновая фильтрация носителей заряда с использованием низкоразмерных структур . <...> Определение спиновых характеристик свободных носителей заряда в твердотельных структурах . <...> Квантовая обработка информации с использованием спинов ядер атомов и электронов в твердотельных структурах . <...> Область научной деятельности — теоретическое исследование и компьютерное моделирование переноса заряда в низкоразмерных структурах, разработка перспективных элементов наноэлектроники и спинтроники, наномагнетизм и квантовая обработка информации. <...> Спин ( spin) представляет собой собственный момент количества движения квантовой частицы, определяемый ее гипотетическим вращением вокруг собственной оси. <...> Измеряется спин в единицах редуцированной постоянной Планка ħ и определяется как ms ħ, где ms — спиновое квантовое число, которое может быть равно нулю, принимать целые или полуцелые значения в зависимости от природы частиц. <...> А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) под руководством Б. П. Захарчени выполнен цикл работ по влиянию оптического излучения на ориентацию спинов электронов и ядер11 . же были рассмотрены основные механизмы спиновой релаксации, два из которых носят имена сотрудников этого института — механизм Дьяконова–Переля12 ханизм Бира–Аронова–Пикуса13 2 H. <...> Это возможно, если электроны в атомах водорода имеют собственный магнитный момент и проекция этого момента на выделенное направление может принимать два значения, различающиеся знаком. <...> Гаудсмита21 к заключению, что электроны в атомах наряду с орбитальным моментом должны обладать еще и собственным механическим угловым, а следовательно, и собственным магнитным моментом. <...> Спин электронов, ядер и атомов го момента электрона на выделенное направление z может принимать только два фиксированных (квантованных <...>
Спинтроника.pdf
УЧЕБНИК ДЛЯ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
В. Е. Борисенко, А. Л. Данилюк, Д. Б. Мигас
СПИНТРОНИКА
2-e издание, электронное
Утверждено
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов и магистрантов
учреждений высшего образования по специальностям
микро- и наноэлектронной техники
Москва
Лаборатория знаний
2021
Стр.2
УДК 621.382(075.8)
ББК 22.31+32.844.1+32.85+32.843я73
Б82
С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра физической электроники и нанотехнологий
Белорусского государственного университета,
чл.-корр. НАН Беларуси д-р ф.-м. н., проф.
Ф. Ф. Комаров;
академик НАН Беларуси, д-р ф.-м. н., проф.
С. В. Гапоненко
Борисенко В. Е.
Б82 Спинтроника : учебное пособие / В. Е. Борисенко,
А. Л. Данилюк, Д. Б. Мигас.—2-е изд., электрон.—
М. : Лаборатория знаний, 2021.—232 с.—(Учебник
для высшей школы).—Систем. требования: Adobe
Reader XI ; экран 10".—Загл. с титул. экрана.—
Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-558-5
В данном учебном пособии обобщены теоретические представления
и фундаментальные закономерности явлений, лежащих
в основе спинтроники. Также рассмотрены принципы
функционирования и конструкции спинтронных элементов
и систем для обработки информации. Издание подготовлено
на основе материала курса лекций и практических занятий,
проводимых по дисциплине «Спинтроника» для студентов
первой ступени высшего образования и магистрантов, обучающихся
по специальностям «Микро- и наноэлектронные
технологии и системы», «Квантовые информационные системы»,
«Нанотехнологии и наноматериалы (в электронике)»
в Белорусском государственном университете информатики
и радиоэлектроники.
Для студентов и магистрантов учреждений высшего
образования по специальностям микро- и наноэлектронной
техники, а также для всех интересующихся новейшими
материалами и электронными технологиями.
УДК 621.382(075.8)
ББК 22.31+32.844.1+32.85+32.843я73
Деривативное издание на основе печатного аналога: Спинтроника
: учебное пособие / В. Е. Борисенко, А. Л. Данилюк,
Д. Б. Мигас.—М. : Лаборатория знаний, 2017.—229 с. :
ил.—(Учебник для высшей школы).
ISBN 978-5-906828-49-1.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных техническими средствами защиты авторских прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или
выплаты компенсации
ISBN 978-5-93208-558-5
© Лаборатория знаний, 2017
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Об авторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Глава 1. Спин электронов, ядер и атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1.1. Спин квантовых частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1.2. Разрешенные энергетические состояния электронов в твердом теле . . . . . . . . . .14
1.3. Обменное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
1.4. Спин-орбитальное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
1.5. Электронно-ядерное спиновое взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
1.6. Взаимосвязь между спиновыми взаимодействиями и магнитными
свойствами твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Глава 2. Магнитные и спиновые свойства объемных материалов, тонких пленок
и наноразмерных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
2.1. Классификация материалов по их магнитным свойствам . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
2.2. Параметры, характеризующие магнитные и спиновые свойства материалов . . .44
2.3. Магнитные проводящие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
2.4. Магнитные полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
2.5. Диэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
2.6. Тонкие пленки магнитных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
2.7. Наноразмерные частицы из магнитных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Глава 3. Спиновые эффекты в твердотельных структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
3.1. Гигантское магнитосопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
3.2. Туннельное магнитосопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
3.3. Передача спинового момента от свободных носителей заряда магнитным
атомам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
3.4. Спиновый эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
3.5. Тепловые спиновые эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
3.6. Эффект Кондо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
Глава 4. Инжекция спин-поляризованных носителей заряда
в твердотельные структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
4.1. Инжекция через невыпрямляющий контакт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
Стр.4
4
Содержание
4.2. Туннелирование через потенциальный барьер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
4.3. Спиновая фильтрация носителей заряда с использованием низкоразмерных
структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
Глава 5. Перенос спин-поляризованных носителей заряда в полупроводниках . . . .116
5.1. Изменение ориентации спина электронов по механизму Эллиотта–Яфета . . . .117
5.2. Изменение ориентации спина электронов по механизму Дьяконова–Переля . .122
5.3. Изменение ориентации спина электронов по механизму
Бира–Аронова–Пикуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
5.4. Изменение ориентации спина электронов в результате их сверхтонкого
взаимодействия с ядрами атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
5.5. Эффективность проявления механизмов релаксации спина электронов
в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
5.6. Особенности релаксации спина электронов в низкоразмерных структурах . . .138
Глава 6. Определение спиновых характеристик свободных носителей заряда
в твердотельных структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
6.1. Оптические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
6.2. Электрические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
Глава 7. Элементы обработки информации на спиновых эффектах . . . . . . . . . . . . . .163
7.1. Датчики магнитных полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
7.2. Считывающая магнитная головка на эффекте гигантского
магнитосопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
7.3. Спиновые транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
7.4. Энергонезависимая память на эффекте гигантского магнитосопротивления . .179
7.5. Энергонезависимая память на основе спин-зависимого туннелирования . . . . .181
7.6. Спиновая логика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
Глава 8. Квантовая обработка информации с использованием спинов
ядер атомов и электронов в твердотельных структурах . . . . . . . . . . . . . . . .193
8.1. Основы квантовой обработки информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
8.2. Квантовый бит информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
8.3. Квантовый компьютер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
8.4. Материалы элементов для квантовой обработки информации
на спинах электронов и ядер атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
8.5. Элементы для квантовой обработки информации на спинах ядер атомов . . . . .210
8.6. Элементы для квантовой обработки информации на спинах электронов
в квантовых точках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216
Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
Обозначения и величины наиболее часто встречающихся фундаментальных
констант . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
Стр.5