• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Powstaje polskie centrum badań nad elektroniką spinową

    21.06.2010. 05:18
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    W ramach projektu SPINLAB, laboratoria sześciu polskich placówek badawczych zostaną wyposażone w nowoczesne urządzenia i stanowiska niezbędne w badaniach dotyczących elektroniki spinowej. Ta nowa dziedzina, zwana również spintroniką została już wykorzystywana w informatyce do odczytu informacji z magnetycznych twardych dysków, a wiele nowych zastosowań jest jeszcze opracowywanych. O specyfice spintroniki opowiada w rozmowie z PAP koordynator projektu - prof. Feliks Stobiecki z Instytutu Fizyki Molekularnej PAN.

    Celem projektu "Krajowe Centrum Nanostruktur Magnetycznych do Zastosowań w Elektronice Spinowej - SPINLAB" jest utworzenie nowych i modernizacja istniejących laboratoriów badawczych służących do badań nad spintroniką, a zlokalizowanych w różnych regionach kraju. By zrealizować ten cel, trzeba kupić nowoczesną aparaturę technologiczną i pomiarową.

    W projekcie SPINLAB uczestniczą trzy placówki PAN: Instytut Fizyki Molekularnej w Poznaniu, Instytut Fizyki w Warszawie oraz Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni w Krakowie, a także trzy ośrodki uniwersyteckie: Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki AGH oraz Wydział Fizyki Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu i Wydział Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.

    Projekt ma się zakończyć w 2011 roku. Na jego realizację przeznaczono ponad 36 mln zł z programu Innowacyjna Gospodarka.

    Czym jest spintronika?

    "W konwencjonalnej elektronice ładunek elektronu jest parametrem pozwalającym w sposób kontrolowany sterować jego ruchem. W spintronice wykorzystujemy dodatkowo drugą cechę elektronu, a mianowicie jego spin, który w określonych warunkach również decyduje o transporcie elektronowym" - wyjaśnia prof. Stobiecki. Spin elektronu to jego własny moment pędu, dający spinowy moment magnetyczny, który w klasycznym rozumieniu jest wiązany z ruchem obrotowym wokół własnej osi. Z definicji tej wynika, że możliwe są dwie orientacje spinowe określane jako "spin w górę" i "spin w dół".

    "Metale ferromagnetyczne - m.in. żelazo, kobalt, nikiel oraz ich stopy - wykazują asymetrię w rozkładzie elektronów ze +spinem w górę+ i ze +spinem w dół+, a to oznacza, że prąd płynący przez taki przewodnik jest spinowo spolaryzowany. Wykazano, że istnieje szereg zjawisk związanych z kontrolą i manipulacją prądem spinowym" - tłumaczy naukowiec.

    Dodaje, że najbardziej znane zjawiska spintroniczne to efekt gigantycznego magnetooporu (GMR), za którego odkrycie (1988 rok) Peter Grnberg i Albert Fert dostali w 2007 roku Nagrodę Nobla oraz efekt tunelowego magnetooporu (TMR). Jak opisuje specjalista, oba zjawiska dotyczą zmian oporności elektrycznej struktury złożonej z ferromagnetycznych warstw i niemagnetycznych przekładek, przewodzących i nieprzewodzących odpowiednio dla efektu GMR i TMR.

    Zdaniem prof. Stobieckiego, olbrzymie zainteresowanie elektroniką spinową związane jest z tym, że niemal wszystkie zjawiska spintroniczne - np. efekty magnetooporowe, blokada kulombowska, akumulacja ładunku i spinowa, indukowane prądem przełączanie magnetyczne - znajdują praktyczne zastosowanie w technologiach informatycznych, konstrukcjach sensorów i przyrządów funkcjonalnych.

    Jako przykład zastosowania efektu TMR w informatyce naukowiec wymienia głowice odczytu, których zastosowanie w twardych dyskach pozwoliło uzyskać znaczący wzrost gęstości zapisu informacji oraz magnetyczne pamięci RAM. "Ten nowy rodzaj pamięci charakteryzuje się dużymi szybkościami działania, małym poborem energii elektrycznej oraz możliwością długiego przechowywania informacji po wyłączeniu zasilania" - zauważa.

    "Mówiąc o spintronice należy uwzględnić to, że wszystkie zjawiska, o których wspomniałem wcześniej zachodzą w układach warstwowych i nanostrukturach, których rozmiary są rzędu nanometrów" - tłumaczy koordynator projektu SPINLAB.

    "Dlatego niezbędne jest wytwarzanie struktur magnetycznych z precyzją w skali atomowej. Złożoność takich struktur i procesów ich wytwarzania wymaga prowadzenia kompleksowych programów badawczych, których celem jest lepsze poznanie zjawisk odpowiedzialnych za określone właściwości magnetyczne w strukturach nanoskopowych" - podkreśla naukowiec.

    Według niego, taka złożoność badań jest jedynie możliwa poprzez współpracę wielu ośrodków badawczych, koordynację ich programów oraz korzystanie ze wspólnej bazy aparaturowej, która spełniać będzie wymagania współczesnej nanotechnologii i inżynierii materiałowej.

    "Stworzenie takiej bazy jest celem projektu SPINLAB, który jest projektem inwestycyjnym. Przyznane fundusze nie są przeznaczone na badania, ale na zakup sprzętu. Programy badawcze prowadzone są przez sześć placówek naukowych w ramach Krajowej Sieci Naukowej ARTMAG" - zaznacza fizyk.

    PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

     

    agt/


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Spintronika, (elektronika spinowa, magnetronika) jest odmianą elektroniki. Podczas gdy w tradycyjnych układach scalonych nośnikiem informacji są zmiany w przepływie prądu, w spintronice brany jest pod uwagę również spin elektronu. Półprzewodnik półmagnetyczny - związek półprzewodnikowy, zazwyczaj trójskładnikowy, w którym część kationów jest niemagnetyczna, a część (zazwyczaj mniejszość) magnetyczna. Materiał taki wykazuje właściwości zarówno półprzewodnikowe jak i magnetyczne . Dodanie jonów magnetycznych do półprzewodnika powoduje wzmocnienie efektów fizycznych obserwowanych w pomiarach magneto-trasportowych i magneto-optycznych, np. gigantycznego efektu Zeemana (czyli wzmocnionego efektu Zeemana) i gigantycznego efektu Faradaya (czyli wzmocnionego zjawiska Faradaya). Półprzewodniki półmagnetyczne wykazują wiele właściwości przydatnych w spintronice. Projekt Proteus – projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007–2013. Proteus to ultranowoczesny, zintegrowany system przeznaczony do działań antyterrorystycznych i antykryzysowych realizowany przez konsorcjum wiodących ośrodków naukowo-badawczych w Polsce. Działania służb mają wspomagać m.in. trzy wielofunkcyjne roboty, samolot bezzałogowy oraz mobilne centrum dowodzenia. System ma być w całości zintegrowany, co jest innowacją w skali światowej i stanowi poważne wyzwanie dla inżynierów pracujących przy projekcie. Realizacja projektu rozpoczęła się w 2009 roku, a jego zakończenie planowane jest na rok 2013.

    Pi of the Sky – naukowy projekt badawczy powstały z inicjatywy prof. Bohdana Paczyńskiego służący do automatycznej obserwacji nieba w poszukiwaniu rozbłysków optycznych pochodzenia kosmicznego. Aparatura zainstalowana jest w obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego w Las Campanas Observatory na pustyni Atacama w Chile. W realizacji projektu uczestniczy zespół naukowców i inżynierów z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW, Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej, Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i Centrum Badań Kosmicznych PAN. Program Pi of the Sky działa od 2004 roku. Anizotropowy magnetoopór (AMR – anisotropic magneto resistance), zwany także anomalią zjawiska magnetorezystancyjnego jest zjawiskiem występującym w metalach i stopach ferromagnetycznych, objawiającym się zmianą oporności pod wpływem zmiany orientacji namagnesowania materiału względem kierunku płynącego przez niego prądu. Zjawisko to charakteryzuje się tym, że zmiany oporu elektrycznego zachodzą w znacznie mniejszych natężeniach pola magnetycznego, niż ma to miejsce w przypadku zwyczajnego magnetooporu. Największe obserwowane amplitudy efektu AMR sięgają 50% w niskich temperaturach. W głowicach odczytu informacji wykonywanych z najczęściej stosowanego materiału tj. permaloju (Fe80Ni20) efekt AMR w temperaturze pokojowej osiąga wartości zbliżone do 4%. Mechanizm zjawiska AMR w metalach ferromagnetycznych wyjaśnia się współudziałem w przewodnictwie elektronów pasma 3d (transport elektronowy zachodzi głównie dzięki elektronom 4s). Na rys. 1 przedstawiono gęstość stanów dla metalu ferromagnetycznego.

    Gigantyczny magnetoopór (gigantyczna magnetorezystancja, GMR z ang. Giant MagnetoResistance) – zjawisko kwantowomechaniczne polegające na powstawaniu bardzo dużego (olbrzymiego) magnetooporu na cienkich warstwach wielokrotnych F/(NF/F)xN (N-liczba powtórzeń dwuwarstwy, F-ferromagnetyk, NF-diamagnetyk), odkryte przez grupę badawczą Baibicha w 1988 r. Wraz z odkryciem tego zjawiska rozpoczęła się era elektroniki spinowej (spintroniki). Saksoński Dzień Europy Środkowej i Wschodniej (niem. Sächsischer Mittel- und Osteuropatag) został zainicjowany w 2004 r. przez Centrum Kompetencyjne do spraw Europy Środkowej i Wschodniej w Lipsku (Kompetenzzentrum Mittel- und Osteuropa Leipzig e.V., KOMOEL) pod kierownictwem prof. dr Stefana Troebsta, którego celem było stworzenie sieci saksońskich ośrodków badawczych i naukowych, jak również partnerów z Europy Środkowej i Wschodniej. Zamiarem lipskiego centrum KOMOEL jest promowanie badań naukowych związanych z Europą Wschodnią prowadzonych na uczelniach wyższych, jak i w pozauniwersyteckich ośrodkach badawczych oraz wspomaganie współpracy przedsiębiorstw i organizacji kulturalnych z Europą Środkową i Wschodnią.

    Szkło spinowe – rodzaj materiału magnetycznego, wykazujący lokalne uporządkowanie spinów (momentów magnetycznych), lecz nie posiadający wypadkowego momentu magnetycznego. Ze szkłem spinowym mamy do czynienia, gdy momenty magnetyczne rozmieszczone są przypadkowo w sieci krystalicznej, a oddziaływanie spinu z pierwszym sąsiadem ma naturę ferromagnetyczną, a z drugim antyferromagnetyczną. Oddziaływanie o charakterze ferromagnetycznym między momentami magnetycznymi następuje przez poruszające się elektrony przewodnictwa. W przypadku szkieł spinowych struktura materiału i rodzaj oddziaływań prowadzi do frustracji spinów (sprzeczne oddziaływanie z najbliższymi i drugimi sąsiadami) co sprawia, że energia układu ma wiele minimów. Konsekwencją powyższego jest płynięcie układu w czasie, tzn. wolne zmienianie się struktury spinowej – co jest cechą charakterystyczną szkieł spinowych. Magnetyzacja (namagnesowanie) jest właściwością materiałów (m.in. magnesów), która opisuje pole magnetyczne wytwarzane przez materiał. Przez magnetyzację rozumie się także wielkość fizyczną określającą wytwarzane przez materiał pole magnetyczne, definiuje się ją przez określenie momentów magnetycznych wytworzonych w jednostce objętości. Głównymi składnikami magnetyzacji są orbitalne i spinowe momenty magnetyczne elektronów.

    Dodano: 21.06.2010. 05:18  


    Najnowsze