spintronics - univerzita palackého v...
TRANSCRIPT
![Page 1: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/1.jpg)
Spintronics
Tomas Jungwirth
Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep. and University of Nottingham, UK
![Page 2: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/2.jpg)
Outline
Spintronic devices
Physical paradigms of spintronics
Materials for spintronics
![Page 3: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/3.jpg)
Outline
Spintronic devices
Physical paradigms of spintronics
Materials for spintronics
![Page 4: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/4.jpg)
Electronics
C1060217646.1 19QElectron has fixed charge
manipulating charge = manipulating entire electron
![Page 5: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/5.jpg)
Transistor
Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947
Ie
Electronics
![Page 6: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/6.jpg)
VG
Transistor
Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947
Ie
Electronics
![Page 7: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/7.jpg)
VG
Transistor
Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947
Ie= 0
Electronics
![Page 8: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/8.jpg)
Transistor
Shockley, Bardeen, and Brattain, 1947
VG
1 0
Electronics
![Page 9: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/9.jpg)
Electron has spin - magnetic moment
manipulating spin = manipulating internal degree of freedom of electron
Spintronics
eV/T1078835 5 ×.B
![Page 10: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/10.jpg)
Spintronics
M
Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientation
Kelvin, 1857
Ie
![Page 11: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/11.jpg)
M
Spintronics
Anisotropic magnetoresistance: current depeds on spin (magnetization) orientationc
Kelvin, 1857
Ie
![Page 12: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/12.jpg)
Spintronics
Giant magnetoresistance
Fert, Grünberg, 1988
1
0
Ie
Ie= 0
![Page 13: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/13.jpg)
M
Spintronics
Inverse magnetoresistance: spin (magnetization) orientation depends on current
Berger, 1978
![Page 14: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/14.jpg)
First HDD, 1956 – MB in a room
Micro HDD – 100GB in a pocket
Spintronic sensors
![Page 15: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/15.jpg)
1990s
Spintronic sensors
![Page 17: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/17.jpg)
Non-volatile RAM, 2006
Spintronics memory chip - MRAM
![Page 18: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/18.jpg)
MRAM: universal memory write with magnetic field
write with current
write with current & perpendicular
scalable to ~ 10 nm
![Page 19: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/19.jpg)
MRAM: universal memory Compatible with CMOS
![Page 20: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/20.jpg)
Conventional architecture with CMOS New architectuture with MRAM
kB
MB
GB
TB
huge
gap
MRAM
in a few years
![Page 21: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/21.jpg)
Non-volatile spintronic logic
![Page 22: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/22.jpg)
Conventional architecture with CMOS New architectuture with
spin memory/logic
longer term ...
![Page 23: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/23.jpg)
Worldwide MRAM development and manufacturing
![Page 24: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/24.jpg)
Outline
Spintronic devices
Physical paradigms of spintronics
Materials for spintronics
![Page 25: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/25.jpg)
Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics
),(2
),(
2
1
2
2
22
22
trrm
trt
i
mvm
pE
![Page 26: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/26.jpg)
)/1(/1
,
22
0
2
cv
mmmcE
Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics
Dirac equation
![Page 27: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/27.jpg)
Spin-orbit coupling: quantum relativistic physics
![Page 28: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/28.jpg)
Spin: internal degree of freedom of electron
![Page 29: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/29.jpg)
Spin-up
eV/T1078835 5 ×.B
Spin: internal degree of freedom of electron
![Page 30: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/30.jpg)
Spin-down
Spin: internal degree of freedom of electron
![Page 31: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/31.jpg)
Quantum physics:
any linear combination allowed
a + b
Spin: internal degree of freedom of electron
![Page 32: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/32.jpg)
Ultra-relativistic quantum particles (neutrino)
![Page 33: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/33.jpg)
spcE
spin and orbital motion coupled
Ultra-relativistic quantum particles (neutrino)
Dirac equation
![Page 34: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/34.jpg)
spin and orbital motion coupled
Ultra-relativistic quantum particles (neutrino)
spcEDirac equation
![Page 35: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/35.jpg)
spin and orbital motion coupled
Ultra-relativistic quantum particles (neutrino)
spcEDirac equation
![Page 36: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/36.jpg)
“Mott“ spintronics paradigm: two-spin-channel model of ferromagnets
Relies on spin-transport between ferromagnets
“Dirac“ spintronics paradigm: quantum-relativistic spin-orbit coupling
Relies on a single spin-orbit coupled magnet (or non-magnet)
![Page 37: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/37.jpg)
Ohmic “Dirac“ device: AMR
Magnetization-orientation-dependent scattering
Kelvin, 1857
![Page 38: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/38.jpg)
Tunneling “Mott“ device: TMR
MRAM
Spin-channel-dependent tunneling DOS
![Page 39: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/39.jpg)
M
“Dirac“ spin-gated transistor
Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher,
Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint ‘12
![Page 40: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/40.jpg)
M“Dirac“ spin-gated transistor
Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher,
Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint ‘12
![Page 41: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/41.jpg)
“Dirac“ spin-gated transistor
Magnetization-orientation-dependent
chemical potential
Ciccarelli, Zarbo, Irvine, Campion, Gallagher,
Wunderlich, Jungwirth, Ferguson preprint ‘12
![Page 42: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/42.jpg)
Outline
Spintronic devices
Physical paradigms of spintronics
Materials for spintronics
![Page 43: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/43.jpg)
Current “Mott“ sensors and MRAMs based on FM transition metals
Single-crystal Mg0
large MR
perpendicular M
![Page 44: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/44.jpg)
Spin-orbit AMR effects equally well present in AFMs as in FMs
FM AFM
2)(~ mAMR
“Dirac“ spintronic devices based on antiferromagnets
Shick, Jungwirth PRB ’10
![Page 45: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/45.jpg)
Ta/Ru/Ta
MnIr
MgO
Pt
NiFe
NiFe
From “Mott“ FM-FM device to “Dirac“ AFM device
Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto,
Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11
![Page 46: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/46.jpg)
Ta/Ru/Ta
MnIr
MgO
Pt
NiFe
NiFe
Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto,
Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11
From “Mott“ FM-FM device to “Dirac“ AFM device
![Page 47: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/47.jpg)
Ta/Ru/Ta
NiFe
MnIr
MgO
Pt
Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto,
Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11
From “Mott“ FM-FM device to “Dirac“ AFM device
![Page 48: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/48.jpg)
Ta/Ru/Ta
NiFe
MnIr
MgO
Pt
Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto,
Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11
From “Mott“ FM-FM device to “Dirac“ AFM device
![Page 49: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/49.jpg)
Ta/Ru/Ta
NiFe
MnIr
MgO
Pt
>100% MR signal at ~50 mT
50
100
R [k
]-1 0 1
B [ T ]
Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto,
Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11
From “Mott“ FM-FM device to “Dirac“ AFM device
3 nm IrMn
![Page 50: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/50.jpg)
Ta/Ru/Ta
NiFe
MnIr
MgO
Pt
Electrically measurable memory effect in AFM
-1000 -500 0 50020
40
60
80
R (
ko
hm
)Field (Oe)
Park, Wunderlich, Marti, Holy, Kurosaki, Yamada, Yamamoto,
Nishide, Hayakawa, Takahashi, Shick, Jungwirth Nature Mat. ’11
From “Mott“ FM-FM device to “Dirac“ AFM device
![Page 51: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/51.jpg)
Ferromagnetic semiconductors
![Page 52: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/52.jpg)
Molecular beam epitaxy of (Ga,Mn)As
Ferromagnetic semiconductors
GaAs – common III-V semiconductor
Group-II Mn – magnetic moment, holes
GaAs:Mn – feromagnetic semiconductor
![Page 53: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/53.jpg)
Optical spin transfer torque in (Ga,Mn)As ferromagnetic semiconductor
Ultrafast (100fs) excitation of magnetization
Nemec, Rozkotova, Tesarova, Trojanek, Ranieri, K.Olejník, Zemen, Novák, Cukr, Malý,
Jungwirth, Nature Phys. 2012
compare with ns-scale of current STT
![Page 54: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/54.jpg)
– – –
+ + +
+
“Dirac“ non-magntic semiconductor (spin-Hall) transistor
Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák,
Sinova, Jungwirth, Science 2010
![Page 55: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/55.jpg)
– – – – – – – – – – – –
+ + + + + + + + + + + +
+
Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák,
Sinova, Jungwirth, Science 2010
“Dirac“ non-magntic semiconductor (spin-Hall) transistor
![Page 56: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/56.jpg)
– – + + – –
+ + – – + +
+
Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák,
Sinova, Jungwirth, Science 2010
“Dirac“ non-magntic semiconductor (spin-Hall) transistor
![Page 57: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/57.jpg)
– – + + – –
+ + – – + +
+
Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák,
Sinova, Jungwirth, Science 2010
“Dirac“ non-magntic semiconductor (spin-Hall) transistor
![Page 58: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/58.jpg)
VG
– – + + – – + + – –
+ + – – + + – – + +
+
Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák,
Sinova, Jungwirth, Science 2010
“Dirac“ non-magntic semiconductor (spin-Hall) transistor
![Page 59: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/59.jpg)
VG2
VB IPH
VG1
RH1RH2
2m
RH2
[]
+
-3.0
0.0
3.0
VG
2 [V
]
Hall bar 2
VG1 [V]
0
0
-1
0
0
0
+1
0
-4
0
+4
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.750.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-0.5 -0.25 0 0.25
+
-
0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 1
AND
Wunderlich, Park, Irvine, Zarbo, Rozkotová, Němec, Novák,
Sinova, Jungwirth, Science 2010
“Dirac“ non-magntic semiconductor logic
![Page 60: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/60.jpg)
Univ. of Nottingham, UKInstitute of Physics ASCR and
Charles Univ., Prague, Czech Rep.
Hitachi and Univ. Cambridge,
UK & Hitachi Japan
J. Wunderlich, A. Ferguson, B.G. Park, C. Ciccarelli, Y. Kurosaki, M. Yamada, H.
Yamamoto, A. Nishide, J. Hayakawa, H. Takahashi, L. Zarbo, A. Shick ,V. Novák,
H. Reichlová, K. Olejník, M. Cukr, X. Marti, O. Stelmakhovych, V. Holý, P. Němec,
P. Horodyská, E. Rozkotová, N. Tesařová, J. Mašek, F. Máca, J. Sinova, J. Železný,
K. Výborný, J. Zemen, R. Campion, T. Foxon, B. Gallagher, P. Wadley, K.
Edmonds, A. Rushforth, ....
![Page 61: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/61.jpg)
![Page 62: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/62.jpg)
Gould et al. PRL‘04
- Bistable spin-valve-like signal whose sign depends
on field angle
- Discovered in GaMnAs
Tunneling “Dirac“ device: TAMR
Brey et al. APL ’04, Giddings et al. PRL ’04, Giraud et al. APL ’05, Sankowski et al. PRB ’07, Ciorga et al., NJP
’07
![Page 63: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/63.jpg)
-TAMR in metals
- large spin-orbit large signal
Tunneling “Dirac“ device: TAMR
Park, Wunderlich, Jungwirth et al. PRL’08
Shick, Jungwirth et al. PRB’06, Moser et al. PRL’07, Gao et al.
PRL’07
![Page 64: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/64.jpg)
(m)→
Chemical potential
controlled “Dirac“ device:
CBAMR
Wunderlich, Jungwirth et al. PRL’06, Schlapps et al. PRB’09
Gate-voltage and magnetiztion-
angle dependent Coulomb
oscillations
Discovered in GaMnAs
SET
![Page 65: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/65.jpg)
Electrical control of spintronics
B (T) → rotating m→
VG1
VG2
Positive & negative MR
Spintronic control of electronics
m1
m2
p-type & n-type transistor
Chemical potential
controlled “Dirac“ device:
CBAMR
Wunderlich, Jungwirth et al. PRL‘06, Solid State Commun.‘07
![Page 66: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/66.jpg)
Chemical potential
controlled “Dirac“ device:
CBAMR
Bernard-Mantel et al. Nature Phys. ‘09
CBAMR confirmed in metal channel with ferromagnetic
leads
![Page 70: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/70.jpg)
1. transistor z roku 1947 ..dnes s velikostí hradla pod 20 nm a
vzdáleností 2 nm od polovodivého kanálu
(1 nm = 10-9 m)
Transistor
![Page 71: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/71.jpg)
Několik kilometrů drátů o tloušťce 10-100 nm
10-100 milionů transistorů na čipu
Integrovaný obvod - čip
![Page 72: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/72.jpg)
Tepelný výkon na cm dnes jako žehlička a za 10 let „ve hvězdách“
![Page 73: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/73.jpg)
Problém s elektrickou „těsností“ při zmenšování pod 100 nm
![Page 74: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/74.jpg)
Konec éry křemíku
![Page 75: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/75.jpg)
Konec klasické fyziky
![Page 76: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/76.jpg)
Fyzický konec škálovaní u 1 nm, dál už jen jednotlivé atomy
![Page 77: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/77.jpg)
Konec škálovaní na dohled – co potom je zatím „ve hvězdách“
32 nm 201040
![Page 78: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/78.jpg)
Stavebnice z jednotlivých atomů
![Page 79: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/79.jpg)
Stavebnice z jednotlivých atomů
Čisto (vakuum) jako v mezihvězdném prostoru
10−9 to 10−12 mbar 10−6 to 10−17 mbar
![Page 80: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/80.jpg)
Růst po atomových vrstvách
Stavebnice z jednotlivých atomů
![Page 84: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/84.jpg)
Stavebnice z jednotlivých atomů
Kreslení atomy po povrchu
35 atomů xenonu na povrchu niklu (1990)
![Page 87: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/87.jpg)
Atom
Atomové jádro MeV (106 eV)
![Page 88: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/88.jpg)
Atom
Valenční elektrony eV
Atomové jádro MeV (106 eV)
![Page 89: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/89.jpg)
Elektron - ika
Elementární částice elektron:
Náboj
hmotnost
Síla vnějšího electrického pole na elektron maEQ
kg1010938188.9 31m
C1060217646.1 19Q
Co dál s elektronem?
-
![Page 90: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/90.jpg)
Kvantová relativistická fyzika
),(2
),(
2
1
2
2
22
22
trrm
trt
i
mvm
pE
![Page 91: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/91.jpg)
Kvantová relativistická fyzika
)/1(/1
,
22
0
2
cv
mmmcE
![Page 92: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/92.jpg)
Kvantová relativistická fyzika
![Page 93: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/93.jpg)
Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu
time
space
![Page 94: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/94.jpg)
Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu
time
space
Spin-up
![Page 95: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/95.jpg)
Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu
time
space
Spin-down
![Page 96: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/96.jpg)
Spin: vnitřní stupeň volnosti elektronu
time
space
Kvantová fyzika:
libovlná kombinace také možná
a + b
![Page 97: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/97.jpg)
time
space
Elektronika s kvantovými bity a kvantovým počítáním
00 11 10 01nebo nebonebo
Klasické 2 bity a počítání
Kvantové 2 bity a počítání: 1= a 0=
buď
v páru kvantových bitů je možné uložit libovolnou kombinaci 4 stavů najednou
a00+ b11+ c10+ d01
Pro n bitů je to 2n stavů
2 4
10 1024
100 1267650600228229401496703205376
![Page 98: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/98.jpg)
Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi
Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)
![Page 99: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/99.jpg)
spcE
spin a pohyb se vzájemně ovlivňují
Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi
Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)
![Page 100: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/100.jpg)
spcE
spin a pohyb se vzájemně ovlivňují
Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi
Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)
![Page 101: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/101.jpg)
spcE
spin a pohyb se vzájemně ovlivňují
Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi
Ultrarychlé částice s klidovou hmotou blízkou 0 (neutrino)
![Page 102: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/102.jpg)
Elektronika s ultra-relativistickými kvantovými částicemi
neutrino
spcE spvE
graphene
Elektron v jedné atomové
vrstvě uhlíku (graphenu):
= kapesní neutrino
rychlost 300/cv
Geim & Novoselov, Nobelova cena 2010
![Page 103: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/103.jpg)
Spin je magnetický moment
eV/T1078835|| 5 ×.m B
Elementární magnetický moment (Bohrův magneton)
m
BmE
Energie v magnetickém poli
![Page 104: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/104.jpg)
Spin je magnetický moment
eV/T1078835|| 5 ×.m B
Elementární magnetický moment (Bohrův magneton)
m
BmE
Energie v magnetickém poli
![Page 105: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/105.jpg)
Spintronika – malé shrnutí
Elektron nese elementární (záporný) naboj
![Page 106: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/106.jpg)
Spintronika – malé shrnutí
Elektron nese elementární (záporný) naboj
Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje
a00+ b11+ c10+d01
![Page 107: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/107.jpg)
Spintronika – malé shrnutí
Elektron nese elementární (záporný) naboj
Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje
a který může být s pohybem svázána00+ b11+ c10+d01
![Page 108: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/108.jpg)
Spintronika – malé shrnutí
Elektron nese elementární (záporný) naboj
Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje
a který může být s pohybem svázána00+ b11+ c10+d01
Spin je elementární magnetický moment
![Page 109: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/109.jpg)
Spintronika – malé shrnutí
Elektron nese elementární (záporný) naboj
Elektron nese spin, se kterým se dá počítat i bez pohybu náboje
a který může být s pohybem svázána00+ b11+ c10+d01
Spin je elementární magnetický moment
![Page 110: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/110.jpg)
Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče
Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál
![Page 111: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/111.jpg)
Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče
Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál
![Page 112: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/112.jpg)
Dnes spintronické součástky využívaji feromagnetické vodiče
Kolektivní chování spinů – snadné ovládání a velký signál
a paměť
![Page 113: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/113.jpg)
První spintronické prvky v magnetických sensorech
Anisotropní magnetoresistance (AMR) – 1850’s 1990’s
Giantická magnetoresistance (GMR) – 1988 1997
Indukční čtecí hlavy (cívka)
Spintronické čtecí hlavy
Grünberg & Fert `88, Nobelova cena 2007
Lord Kelvin
1857
![Page 114: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/114.jpg)
První pevný disk (1956) - MB Dnešní mikro-disk - 100 GB
Spintronika umožnila obrovské zvýšení kapacity pevných disků
![Page 115: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/115.jpg)
RAM čip, který nezapomíná nehybný „pevný disk“
Spintronická operační paměť v čipu - MRAM
Prvni 4Mb MRAM 2006
![Page 116: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/116.jpg)
Spintronika umí několik funkcí v jedné součástce:
číst, pamatovat si i zapisovat informaci
Zápis pomocí spinově polarizovaných proudů
GB MRAM ~2015
![Page 117: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/117.jpg)
Snaha integrovat spintroniku do polovodičových součástek
Spintronický transistor procesor
stálá a operční paměť, procesor - vše v jednom čipu
![Page 118: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/118.jpg)
Jeden přístup: udělat z obyčejného polovodiče feromagnetický
Zatlouct železný hřebík do křemíkové desky není správná cesta
![Page 119: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/119.jpg)
Jeden přístup: udělat z obyčejného polovodiče feromagnetický
GaAs – standardní III-V polovodič
Group-II Mn – magnetické momenty
a díry
GaAs:Mn – feromagnetický a elektricky
dopovaný polovodič
Růst Mn-dopovaného GaAs s atomovou přesností
![Page 120: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/120.jpg)
Elektrické ovládání spintronikySpinové ovládání elektroniky
VG1
VG0
Spintronický transistor
![Page 121: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/121.jpg)
Jiná možnost je ochočit spiny v nemagnetickém polovodiči
I || E
_ FSO
FSO
_ __
Spin závisí na pohybu elektronu
Zmagnetované hrany
(spinový Hallův jev)
![Page 122: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/122.jpg)
Stejná magnetizace v polovodiči dosažená pomocí
milionkrát menších proudů i rozmerů
Spinový Hallový mikročip
Supravodivý magnet
![Page 123: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/123.jpg)
– – –
+ + +
+
Injektované spinově polarizované proudy budí příčné elektrické napěti
Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit
![Page 124: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/124.jpg)
– – – – – – – – – – – –
+ + + + + + + + + + + +
+
Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit
Ustálený stav
![Page 125: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/125.jpg)
– – + + – –
+ + – – + +
+
Spiny v polovodiči se dají ještě víc zkrotit
Spiny působí na proud ale i proud může působit na spiny
![Page 126: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/126.jpg)
– – + + – –
+ + – – + +
+
Spintronický transistor
Elektrony stále proudí
matipuluje se spin
![Page 127: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/127.jpg)
VG
– – + + – – + + – –
+ + – – + + – – + +
+
Spintronický transistor
Elektrony stále proudí
matipuluje se spin
![Page 128: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/128.jpg)
Budoucnost mikroelektroniky „ve hvězdách“ …
.... spintronika jednou z možných cest ....
.... využívá spin elektronu samostatně nebo
svázaného s pohybem náboje v elektrickém a
magnetickém poli ....
.... úspěšně nahrazuje nebo integruje prvky pro
ukládání a čtení informace ....
.... zpracování informace zatím na ůrovni
prototypů jednotlivých spintronických transistorů
.... která se učí z kvantové relativistické fyziky a
skládání látek z jednotlivých atomů....
![Page 129: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/129.jpg)
VG2
VB IPH
VG1
RH1RH2
2m
RH2
[]
+
-3.0
0.0
3.0
VG
2 [V
]
Hall bar 2
VG1 [V]
0
0
-1
0
0
0
+1
0
-4
0
+4
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.750.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-0.5 -0.25 0 0.25
+
-
0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 1
AND
Spintronický transistor: experimentání realizace
Elektrony stále proudí
matipuluje se spin
![Page 130: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/130.jpg)
Kvantová relativistická fyzika
![Page 131: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/131.jpg)
Kvantová fyzika
částice i vlna zároveň
částice )2
1(
2
22
mvm
pE
![Page 132: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/132.jpg)
r-ip
tiE
,
Kvantová fyzika
částice i vlna zároveň
přechod od klasické ke kvantové fyzice
)]sin()[cos(),( trkitrkAtr vlna
vlnové číslo pk
frekvence E
),(2
),(2 2
222
trrm
trt
im
pE
![Page 133: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/133.jpg)
time
space
Relativistická fyzika
![Page 134: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/134.jpg)
0
2
mm
mcE
2
2
1
1
c
v
time
space
Relativistická fyzika
- Absence absolutní vztažné soustavy (etheru)
- Maximální rychlost (rychlost světla ve vakuu)
stejná ve všech inerciálních soustavách
4-rozměrný časoprostor
)/('
)('
2cvxtt
vtxx
Energie a hmotnost
![Page 135: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/135.jpg)
time
space
Kvantová-relativistická fyzika
0
2
mm
mcE
4-rozměrný časoprostor
)/('
)('
2cvxtt
vtxx
Energie a hmotnost
r-ip
tiE
, )
2
1(
2
22
mvm
pE
t
2)(
r
nerelativisticky
![Page 136: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/136.jpg)
time
space
Kvantová-relativistická fyzika
0
2
mm
mcE
4-rozměrný časoprostor
)/('
)('
2cvxtt
vtxx
Energie a hmotnost
r-ip
tiE
, nová vlnová rovnice pro dvě nerozlučné vlny
(vlastně čtyři, ale ty další dvě pro antičástice)
![Page 137: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/137.jpg)
Konec škálovaní na dohled – co potom je zatím „ve hvězdách“
32 nm 201040
End of the CMOS scaling era
![Page 138: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/138.jpg)
End of the CMOS scaling era
1b transistors on a chip
![Page 139: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/139.jpg)
End of the CMOS scaling era
![Page 140: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/140.jpg)
End of the CMOS scaling era
![Page 141: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/141.jpg)
Mfree rotates towards Mfixed
parallel alignmentMfree rotates away from Mfixed
antiparallel alignment
Mfree
electron flux
Mfixed
Mfree
electron flux
Mfixed
“Mott“ inverse magnetoresistance device: spin transfer torque
write with current
STT-MRAM
![Page 142: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/142.jpg)
“Dirac“ inverse magnetoresistance device: spin-orbit FMR
Fang, Kurebayashi, Wunderlich, Vyborny, Zarbo, Campion,
Casiraghi, Gallagher, Jungwirth and Ferguson, Nature Nano. 2011
![Page 143: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/143.jpg)
“Mott“ spintronics paradigm: two-spin-channel model of ferromagnets
“Dirac“ spintronics paradigm: quantum-relativistic spin-orbit coupling
Relies on spin-transport between ferromagnets
Relies on a single spin-orbit coupled magnet (or non-magnet)
![Page 144: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/144.jpg)
Ferromagnetism = Pauli exclusion principle & Coulomb repulsion
total wf antisymmetric = orbital wf antisymmetric * spin wf symmetric
(aligned)
can be as strong as bonding in solids
DOS
DOS
Mott majority and minority spin channels
![Page 145: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/145.jpg)
Spin-orbit coupling from classical E&M and postulated electron spin
nucleus rest frame electron rest frame
vI Q rE3
04 r
Q
3
0
4 r
rIB
EvEvB 200
1
c EvSS
2B
mc
egH B
SO
Lorentz transformation Thomas precession
2 2
![Page 146: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/146.jpg)
Ohmic “Mott“ device: GMR
Spin-channel-dependent scattering
Fert, Grünberg, 1988
![Page 147: Spintronics - Univerzita Palackého v Olomoucinanosystemy.upol.cz/upload/39/jungwirth_s_27_iii_2012.pdf · Spintronics Tomas Jungwirth Institute of Physics ASCR Prague, Czech Rep](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041421/5e1f34e0b70587510074369d/html5/thumbnails/147.jpg)
Tunneling “Dirac“ device: TAMR
Gould, Ruster, Jungwirth, Molenkamp
et al. 2004
Magnetization-orientation-dependent
tunneling DOS