به نام خدا

آشنایی با اسپینترونیکس و کاربردهای کوانتومی آن

ایران صنعت و علم دانشگاه

برق مهندسی دانشکده

الکترونیک ) کوانتوم درس (1سمینار : نژاد محمد شهرام پروفسور مربوطه استاد

1392دی

معرفی

اس0پینترونیکس ک0ه تحت عن0وان الکترونی0ک مغناطیس0ی ن0یز •برمبن0ای آم0ده بوج0ود تکنول0وژی ی0ک میش0ود، ش0ناخته

مغناطیس لحظه ای الکترون است.

ب0ار • انتق0ال مبن0ای ب0ر متع0ارف الک0ترونیکی قطع0ات آن0را اس0پینی خ0واص و میکنن0د ک0ار الکترونه0ا الک0تریکی

نادیده میگیرند.

در نظ0ر گ0رفتن اث0رات اس0پینی منج0ر ب0ه ایج0اد ظ0رفیت ه0ای •جدیدی در قطعات الکترونیکی میشود.

تقاضاهای آینده

تع0داد ترانزیس0تورها • بی0ان میکن0د ک0ه قانون م0ور بای0د ه0ر 2 م0اه 18روی ی0ک تراش0ه س0یلیکونی

برابر شود.

همینط0ور ک0ه ابع0اد ترانزیس0تورها کوچ0ک میش0ود، •خ0واص کوانت0ومی الکترونه0ا مانن0د م0اهیت م0وجی در بای0د و میده0د نش0ان را خ0ود بیش0تر آنه0ا

طراحیها آنها را در نظر گرفت.

عملک0رد، • بهب0ود س0مت ب0ه تکنول0وژی تمای0ل سرعت باالتر و کاهش

ت0وان مص0رفی اس0ت ک0ه قطع0ات اس0پینترونیکس این خواص را از خود نشان داده اند.

امتیازات اسپینترونیکس

امتیازات اسپینترونیکس

ذخیره سازی مغناطیسی انجام

شده بوسیله خواص اسپینی غیرفرار

هستند.

اطالعات در اسپین الکترون بعنوان دوحالت ممکن ذخیره میشود.

پالریزاسیون اسپینی باینری میتواند بعنوان

کیوبیتها در کامپیوترهای

کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.

قطعات اسپینی میتوانند عملیاتهای منطقی و ذخیره سازی اطالعات بدون جداسازی اجزاء انجام دهند.

(GMRمقاومت مغناطیسی غول پیکر )

س00ال • در GMR 1988در دانش00مند دو بوس00یله بعن00وان 00تول00د را آن0 ک00ه ش00د ا0خ00تر0اع فر0انس00ه

اسپینترونیکس در نظر گرفتند.

یک مق0اومت مغناطیس0ی غ0ول پیک0ر ح0داقل بص0ورت •ی0ه ال0 ک0ه 0ی0ک م0یش0ود س0اخته فروم0غن0اطیس دو0الی0ه

حدفاصل بین آنها قرار گرفته است.

ت0راز • بص0ورت هم الی0ه دو مغناطیس0ی ب0ردار وق0تی ق0رار میگیرن0د، قطع0ه کم0ترین مق0اومت را داراست.

ک00امال • مغناطیس00ی برداره00ای زمانیک00ه متق00ابال، برعکس باشند، مقاومت بزرگ حاصل میشود.

می0دانهای کوچ0ک میتوانن0د اث0رات ب0زرگی تولی0د کنند.•

خواه0د • وج0ود ن0یز عم0ودی و م0وازی جری0ان اث0رات داشت

GMRجریان موازی

جریان بصورت موازی بین الیه های فرومغناطیس برقرار میشود.•

اغلب در خواندن مغناطیسی هاردها استفاده میشود. •

% وجود دارد.200بین نقطه صفر و حالتهای ضدموازی اختالف سطح مقاومتی •

GMRجریان عمودی

در این حالت الیه مغناطیس آزاد بعنوان پالریزگر اسپین و دیگری بعنوان آشکارساز •استفاده میشود.

% وجود دارد.70بین نقطه صفر و حالتهای ضدموازی اختالف مقاومتی •

( محسوب میشود.TMRاین ساختار بعنوان پایه ای برای مقاومت مغناطیسی تونلی )•

(TMRمقاومت مغناطیسی تونلی )

اثر مقاومت مغناطیسی تونلی دو کانال اسپینی در مواد فرومغناطیسی و اثر •تونلزنی کوانتومی را ترکیب میکند.

% را دارا میباشند.70 نسبت مقاومت حدود TMRپیوندهای •

% مقاومت مغناطیسی دارند.230( در حدود MgOپیوندهای سد منیزیم اکسید )•

حافظه با دسترسی تصادفی مقاومت مغناطیسی (MRAM)

•MRAM از عناص0ر ذخ0یره س0ازی مغناطیس0ی بج0ای عناص0ر الک0تریکی اس0تفاده میکن0د ک0ه های معمول استفاده میشود.RAMدر

ه0ا اس0تفاده میش0ود، ک0ه MRAMپیون0دهای ت0ونلی ب0رای خوان0دن اطالع0ات ذخ0یره ش0ده در •” ب0رای ح0الت غ0یرموازی 1” ب0رای ح0الت مغناطیس0ی نقط0ه ص0فر و “0بط0ور معم0ول “استفاده میشود.

انتقال اسپینی

پالریزاس0یون اس0پینی ش0ده اس0ت عب0ور • ی0ک می0دان مغناطیس0ی ک0ه از طری0ق جری0ان میکند.

ب0ردار مغناطیس0ی داخ0ل • ب0ه ب0زرگی را این اس0پینهای مغناطیس0ی ی0ک گش0تاور نس0بی ماده مغناطیسی خارجی اعمال میکند.

ک0ه منج0ر میش0ود • وارد میکن0د تپش ب0ار مغناطیس0ی بص0ورت ب0ه ان0رژیی این گش0تاور مغناطیس لحظه ای آن به سمت محور جسم گردان تغییر جهت دهد.

اگ0ر ن0یروی میراکنن0ده خیلی کوچ0ک باش0د، تکان0ه جری0ان اس0پینی ب0ه نانومغن0اطیس منتق0ل •خواهد شد که موجب میشود بردار مغناطیسی دچار تغییرات اندک و ناگهانی شود.

این عامل یکی از اثرات ناخواسته در شیرهای اسپینی است. •

از این مورد کاربردهایی اخیرا برای نوشتن حافظه پدیدار شده است.•

حافظه با دسترسی تصادفی مقاومت مغناطیسی (MRAM)

مکانیس0م انتق0ال اس0پینی میتوان0د ب0رای نوش0تن در س0لولهای حافظ0ه مغناطیس0ی م0ورد •استفاده قرار گیرد.

جریانه0ای اس0پینی در این ح0الت دارای س0رعت تقریب0ا یکس0ان ب0ا ح0الت خوان0دن هس0تند، •اما مصرف توان کاهش یافته است.

حافظه با دسترسی تصادفی مقاومت مغناطیسی (MRAM)

حافظه با دسترسی تصادفی مقاومت

مغناطیسی (MRAM)

شبیه حافظه falshهای

غیرفرار است.

چگالی DRAM ها را

داراست.

سرعتشان با SRAM ها

برابری میکند.

ترانزیستورهای اسپینی

ها میتوان جریان کانالهای اسپینی را کنترل کرد.MRAMبا استفاده ایده آل از •

میت0وان جری0ان • آن از اس0تفاده ب0ا ک0ه میده0د پیش0نهاد را اس0پینی روش0ی ترانزیس0تور اس0پینی را همانن0د ترانزیس0تورهای مرس0وم ک0ه جریانه0ای ب0ار الک0تریکی را کن0ترل میکنن0د،

کنترل کرد.

عملیاته0ای • ت0رکیب امک0ان اس0پینی ترانزیس0تورهای این از ه0ایی آرای0ه از اس0تفاده با ممکن را واح0د تراش0ه ی0ک روی مخ0ابراتی و س0ازی ذخ0یره آشکارس0ازی، منطقی،

میشود.

این عم0ل تم0ایز بین حافظ0ه درح0ال ک0ار و ذخ0یره س0ازی را ح0ذف ک0رده و کاره0ای زی0ادی •را موازی با هم روی یک تراشه واحد میتوان انجام داد.

DATTA DOSترانزیستور اسپینی

این ترانزیس0تور اولین قطع0ه اس0پینی پیش0نهاد •در ک0ه اس0ت فلز-اکس0ید هندس0ه ب0رای ش0ده

معرفی شد.1989سال

ب00ا • فرومغن00اطیس م00واد کلکت00ور و امی00تر بردارهای مغناطیسی موازی هستند.

گیت مولد میدان مغناطیسی است.•

جری0ان بوس0یله درج0ه انح0راف مس0یر در اس0پین •الکترون تعیین میگردد.

نیمه رساناهای مغناطیسی

موادی ک0ه دارای خ0واص مغناطیس0ی ص0ریح هس0تند و میت0وان از آنه0ا بعن0وان نیم0ه رس0انا •در قطعات الکترونیکی استفاده کرد، نیمه رساناهای مغناطیسی نامیده میشوند.

در الکترونی0ک مرس0وم کن0ترل روی حامله0ای ب0ار الک0تریکی انج0ام میگ0یرد، درحالیک0ه، در •نیمه رساناهای مغناطیسی میتوان خواص اسپینی کوانتومی را هم کنترل کرد.

گرچ0ه نیم0ه رس0اناهای مغناطیس0ی بط0ور معم0ول همچ0ون آهن مغناطیس0ی )( هس0تند، •( DMSام0ا دانش0مندان ب0دنبال م0وادی تحت عن0وان نیم0ه رس0اناهای مغناطیس0ی رقی0ق )

هستند که قابل ناخالص سازی باشند.

ح0الت • گ0یری ان0دازه ب0رای گ0روه اولین توهوک0و دانش0گاه در اهن0و دک0تر گروه GaMnAsفرومغن0اطیس در نیم0ه رس0اناهای ترکی0بی ناخ0الص ش0ده فل0زی گ0ذرا همچ0ون

بودند.

نیمه رساناهای مغناطیسی

نیمه رساناهای مغناطیسی

(:Curie temperatureدمای کوری )•

به دمایی اطالق میشود که در آن ماده فرومغناطیس از

حالت مغناطیس دائم در زیر دمای کوری به حالت

مغناطیس القایی در باالی آن تغییر میکند و برای برگشتن به

حالت مغناطیس دائم اولیه باید میدان مغناطیسی اعمال

کرد.

اسپینهای کوری، دمای زیرمیدان یک نبود در مغناطیسی

اسپینهای کوری، دمای باالیحضور و نبود در مغناطیسی

میدان یک

نتیجه گیری

در • موج0ود ه0ای مح0دودیت وج0ود از اس0پینترونیکس تکنول0وژی س0مت ب0ه تم0ایالت الکترونیک مرسوم سرچشمه گرفته است.

تغی0یر • آنچن0ان م0ورد قب0ول نیس0ت، و اس0پینترونیکس ی0ک به هرح0ال، بازس0ازی ص0نعت برای تکنولوژی حاضر محسوب میشود.

منطقی، • عملکرده0ای ت0رکیب همچ0ون برتریه0ایی اس0پینترونیکس برمبن0ای طراحی ذخ0یره س0ازی و سنس0وری ب0ر تکنول0وژی ح0ال حاض0ر دارد، ک0ه منج0ر ب0ه جلب ش0دن

تحقیقات به سمت آن شده است.

از مهم0ترین دس0تاوردهای قطع0ات اس0پینترونیکس میت0وان ب0ه کامپیوتره0ای کوانت0ومی و • را 21مخ0ابرات کوانت0ومی اس0ت، ک0ه تکنول0وژی ارتباط0ات و فن0اوری اطالع0ات ق0رن

دچار انقالبی وسیع خواهد کرد.

با تشکر از توجه شما