Spintroniset laitteet, jotka toimivat puhtailla spinvirroilla, edustavat uutta paradigmaa nanoelektroniikassa, koska niiden energiatehokkuus vähäisine häviöineen on parempi verrattuna varausvirroilla toimiviin. Tekniikka on kuitenkin käyttökelpoinen vain, jos nanokanavassa kehittyneen spinvirran määrää voidaan säätää tarpeen mukaan ja samalla tuottaa sähköinen yhteensopivuus muiden piirielementtien kanssa.
Mikrosirujen tehokkuuden lisäämiseksi nyt tutkitaan 3D-rakenteita. Spintroniset komponentit ovat kuitenkin aina tasaisen litteitä. Yhdessä eurooppalaisten kollegoiden kanssa Groningenin yliopiston fyysikko Kumar Sourav Das on kehittänyt spintroniikan yhdistämisen 3D-elektroniikkaan luomalla kaarevia spinien kuljetuskanavia. Heidän kehittämänsä uusi geometria antaa mahdollisuuden virittää varausten ja spinien virtauksia itsenäisesti.
Tutkijoiden lähtökohta oli se, kuinka virittää spinvirta geometrian avulla ja miten luoda spinkuljetus 3D-nanorakenteeseen. Elektronin spin on kvanttimekaaninen ominaisuus eli magneettinen momentti, jota voidaan käyttää informaation siirtämiseen tai tallentamiseen. Spiniä on jo käytetty muistitallennuksessa ja sitä voidaan käyttää myös logiikkapiireissä.
- Toistaiseksi suurin osa spintroniikan rakenteista on perustunut tasaiseen rakenteeseen. Halusimme selvittää kuinka spin-virrat käyttäytyvät kaarevassa kanavassa, Das kertoo.
Tutkijat työstivät ionisäteen avulla piidioksidisubstraatille kaivantoja ja kasvattivat niiden yli alumiiniset nanokanavat. Näin syntyneessä kaarevassa arkkitehtuurissa alumiinin paksuus vaihtelee nanomittojen skaaloissa, jotka ovat lyhyempiä kuin spinin relaksaatiopituus.
Erikokoisia kaivantoja luomalla ja sekä spinin resistanssin että varausvirtoja mittailemalla tutkijat havaitsivat, että kaivannon koon vaihtelut vaikuttavat spinin ja varauksen kuljetukseen kanavalla eri tavoilla. He siis pystyivät virittämään toisistaan riippumatta sekä spin- että varausvirtoja kanavan geometrian perusteella.
Tämä kyky mahdollistaa rakenne-elementin suunnittelun siten, että spinresistanssi sovitetaan spinpohjaiseen piiriin, esimerkiksi tehokkaaseen spininjektioon. Samanaikaisesti varausresistanssi voidaan sovittaa esimerkiksi varauspohjaiseen piiriin, esimerkiksi tehokkaaseen tehonsiirtoon.
- Tämä löytö on tärkeä, koska sen avulla voimme virittää spintroniset komponentit kohtaamaan sekä elektronisten piirien spinvirtaa että varausvirtaa. Se mahdollistaa spin-injektorien ja ilmaisimien tai spin-transistorien tehokkaan integroinnin moderniin 3D-piiriin, Das toteaa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 17.10.2019
