स्पिनट्रॉनिक्स

स्पिनट्रॉनिक्स (एक पोर्टमैंटो जिसका अर्थ है स्पिन ट्रांसपोर्ट इलेक्ट्रॉनिक्स  ), ठोस अवस्था उपकरणों में अपने मौलिक विद्युत आवेश के अलावा, विद्युदणु के आंतरिक चक्रण और उससे जुड़े चुंबकीय क्षण का अध्ययन है। स्पिनट्रॉनिक्स का क्षेत्र धातु प्रणालियों में चक्रण-आवेश युग्मन से संबंधित है, विसंवाहक (इंसुलेटर) में समान प्रभाव मल्टीफ़ेरिक्स के क्षेत्र में आते हैं।

स्पिनट्रॉनिक्स मौलिक रूप से पारंपरिक इलेक्ट्रानिकी से भिन्न होता है, आवेश अवस्था के अलावा, विद्युदणु (इलेक्ट्रॉन) चक्रण का उपयोग डेटा भंडारण और स्थानांतरण की दक्षता में प्रभाव के साथ और निकाय की स्वातंत्र्य कोटि के रूप किया जाता है। स्पिंट्रोनिक प्रणालियों को अक्सर तनु चुंबकीय अर्धचालकों (डीएमएस) और हेस्लर मिश्र धातुओं में महसूस किया जाता है और क्वांटम संगणना और न्यूरोमॉर्फिक संगणना के क्षेत्र में विशेष रुचि रखते हैं।

इतिहास
स्पिनट्रॉनिक्स 1980 के दशक में ठोस-अवस्था उपकरणों में चक्रण-निर्भर विद्युदणु परिवहन घटनाओं से संबंधित खोजों से उभरा था। इसमें जॉनसन और सिल्स्बी द्वारा लौहचुम्बकीय धातु से सामान्य धातु में चक्रण -ध्रुवीकृत विद्युदणु अंतःक्षेपण का अवलोकन (1985) और अल्बर्ट फर्ट एट अल और पीटर ग्रुनबर्ग एट अल (1988) द्वारा स्वतंत्र रूप से विशाल चुंबकीय प्रतिरोध की खोज शामिल है। स्पिंट्रोनिक्स की उत्पत्ति का पता मेसर्वे और टेड्रो द्वारा शुरू किए गए लौहचुम्बकीय /अतिचालक सुरंग प्रयोगों और 1970 के दशक में जुलिएरे द्वारा चुंबकीय सुरंग जंक्शनों पर प्रारंभिक प्रयोगों से लगाया जा सकता है। स्पिनट्रॉनिक्स के लिए अर्धचालकों का उपयोग 1990 में दत्त और दास द्वारा स्पिन क्षेत्र प्रभावी ट्रांजिस्टर के सैद्धांतिक प्रस्ताव और 1960 में रश्बा द्वारा विद्युत द्विध्रुवीय चक्रण अनुनाद के साथ प्रारंभ हुआ था।

सिद्धांत
विद्युदणु का प्रचक्रण एक आंतरिक कोणीय संवेग है जो अपनी कक्षीय गति के कारण कोणीय संवेग से अलग होता है।एक मनमाने अक्ष के साथ विद्युदणु के प्रचक्रण के प्रक्षेपण का परिमाण $$\tfrac{1}{2}\hbar$$, है। जिसका अर्थ है कि विद्युदणु चक्रण-सांख्यिकी प्रमेय द्वारा एक फर्मियन के रूप में कार्य करता है। कक्षीय कोणीय गति की तरह,चक्रण में एक संबद्ध चुंबकीय क्षण होता है, जिसका परिमाण इस प्रकार व्यक्त किया जाता है


 * $$\mu=\tfrac{\sqrt{3}}{2}\frac{q}{m_e}\hbar$$
 * एक ठोस में, कई इलेक्ट्रॉनों का चक्रण पदार्थ के चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक गुणों को प्रभावित करने के लिए एक साथ कार्य कर सकते हैं, उदाहरण के लिए इसे एक लौहचुम्बकीय के रूप स्थायी चुंबकीय क्षण के साथ समाप्त करना हैं।

कई पदार्थों में, विद्युदणु चक्रण समान रूप से ऊपर और नीचे दोनों अवस्थाओं में समान रूप से मौजूद होते हैं, और कोई भी परिवहन गुण चक्रण पर निर्भर नहीं होते हैं। एक स्पिनट्रॉनिक उपकण में, इलेक्ट्रॉनों के चक्रण-ध्रुवीकृत समष्‍टि के उत्पादन या परिचालन की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों की अधिकता या चक्रण में कमी होती है। किसी भी चक्रण निर्भर गुण X का ध्रुवीकरण इस प्रकार लिखा जा सकता है


 * $$P_X=\frac{X_{\uparrow}-X_{\downarrow}}{X_{\uparrow}+X_{\downarrow}}$$

चक्रण के ऊपर और नीचे होने के बीच संतुलन ऊर्जा विभाजन बनाकर एक शुद्ध स्पिन ध्रुवीकरण प्राप्त किया जा सकता है। विधियों में पदार्थ को एक बड़े चुंबकीय क्षेत्र (ज़ीमन प्रभाव) में रखना और लौहचुम्बकीय में मौजूद विनिमय ऊर्जा या प्रणाली को संतुलन से बाहर करना सम्मिलित है। इस तरह की गैर-संतुलन समष्‍टि को बनाए रखने की अवधि को चक्रण जीवनकाल τ के रूप में जाना जाता है।

एक विसरित सुचालक में, एक चक्रण प्रसार लंबाई $$\lambda$$ को उस दूरी के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिस पर एक गैर-संतुलन चक्रण समष्‍टि प्रसार सकती है। धातुओं में चालन इलेक्ट्रॉनों का चक्रण जीवनकाल अपेक्षाकृत कम होता है (आमतौर पर 1 नैनोसेकंड से कम)। एक महत्वपूर्ण अनुसंधान क्षेत्र इस जीवनकाल को तकनीकी रूप से प्रासंगिक समय-सीमा तक विस्तारित करने के लिए समर्पित है।

एक स्पिन ध्रुवीकृत आबादी के लिए क्षय के तंत्र को बड़े पैमाने पर स्पिन-फ्लिप बिखरने और स्पिन dephasing के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।स्पिन-फ्लिप बिखरना एक ठोस के अंदर एक प्रक्रिया है जो स्पिन को संरक्षित नहीं करता है, और इसलिए एक आने वाली स्पिन अप स्थिति को एक आउटगोइंग स्पिन डाउन स्टेट में बदल सकता है।स्पिन डीफासिंग वह प्रक्रिया है जिसमें एक सामान्य स्पिन राज्य के साथ इलेक्ट्रॉनों की आबादी इलेक्ट्रॉन स्पिन की विभिन्न दरों के कारण समय के साथ कम ध्रुवीकृत हो जाती है।सीमित संरचनाओं में, स्पिन डीफासिंग को दबा दिया जा सकता है, जिससे कम तापमान पर अर्धचालक क्वांटम डॉट्स में मिलीसेकंड के जीवनकाल को स्पिन किया जाता है।

सुपरकंडक्टर्स स्पिनट्रॉनिक्स जैसे कि मैग्नेटोरिसिस्टेंस इफेक्ट्स, स्पिन लाइफटाइम और डिसिपेशनलेस स्पिन-करंट जैसे केंद्रीय प्रभावों को बढ़ा सकते हैं। एक धातु में एक स्पिन-ध्रुवीकृत वर्तमान उत्पन्न करने का सबसे सरल तरीका एक फेरोमैग्नेटिक सामग्री के माध्यम से करंट को पास करना है। इस प्रभाव के सबसे आम अनुप्रयोगों में विशाल मैग्नेटोरेसिस्टेंस (जीएमआर) उपकरण शामिल हैं। एक विशिष्ट जीएमआर डिवाइस में स्पेसर परत द्वारा अलग किए गए फेरोमैग्नेटिक सामग्री की कम से कम दो परतें होती हैं। जब फेरोमैग्नेटिक परतों के दो मैग्नेटाइजेशन वैक्टर को संरेखित किया जाता है, तो विद्युत प्रतिरोध कम होगा (इसलिए निरंतर वोल्टेज पर एक उच्च वर्तमान प्रवाह) की तुलना में अगर फेरोमैग्नेटिक परतें एंटी-संरेखित होती हैं। यह एक चुंबकीय क्षेत्र सेंसर का गठन करता है।

GMR के दो वेरिएंट उपकरणों में लागू किए गए हैं: (1) करंट-इन-प्लेन (CIP), जहां विद्युत प्रवाह परतों के समानांतर प्रवाहित होता है और (2) वर्तमान-परंपरात्मक-से-प्लेन (CPP), जहां विद्युत प्रवाह परतों के लंबवत एक दिशा में बहता है।

अन्य धातु-आधारित स्पिनट्रॉनिक्स डिवाइस:
 * टनल मैग्नेटोरेसिस्टेंस (टीएमआर), जहां फेरोमैग्नेटिक परतों को अलग करने वाले एक पतले इन्सुलेटर के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के क्वांटम-मैकेनिकल टनलिंग का उपयोग करके सीपीपी परिवहन प्राप्त किया जाता है।
 * स्पिन-ट्रांसफर टोक़, जहां डिवाइस में फेरोमैग्नेटिक इलेक्ट्रोड के चुंबकीयकरण दिशा को नियंत्रित करने के लिए स्पिन-ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉनों का एक वर्तमान का उपयोग किया जाता है।
 * स्पिन-वेव लॉजिक डिवाइस चरण में जानकारी ले जाते हैं। हस्तक्षेप और स्पिन-लहर बिखरना तर्क संचालन कर सकता है।

स्पिनट्रोनिक-लॉजिक डिवाइस
स्केलिंग को सक्षम करने के लिए गैर-वाष्पशील स्पिन-लॉजिक उपकरणों का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया जा रहा है। स्पिन-ट्रांसफर, टॉर्क-आधारित लॉजिक डिवाइस जो सूचना प्रसंस्करण के लिए स्पिन और मैग्नेट का उपयोग करते हैं, प्रस्तावित किए गए हैं। ये डिवाइस ITRS खोजपूर्ण रोड मैप का हिस्सा हैं।लॉजिक-इन मेमोरी एप्लिकेशन पहले से ही विकास चरण में हैं।  2017 की समीक्षा लेख आज सामग्री में पाया जा सकता है।

अनुप्रयोग
डिस्क रीड-एंड-राइट हेड | पढ़ें चुंबकीय हार्ड ड्राइव के प्रमुख जीएमआर या टीएमआर प्रभाव पर आधारित हैं।

मोटोरोला ने एक एकल चुंबकीय टनल जंक्शन और एक एकल ट्रांजिस्टर के आधार पर एक पहली पीढ़ी के 256 & एनबीएसपी; केबी मैग्नेटोरिसिस्टिव रैंडम-एक्सेस मेमोरी (एमआरएएम) विकसित किया, जिसमें 50 नैनोसेकंड के तहत पढ़ा/लिखना चक्र होता है। Everspin ने तब से एक 4 & nbsp; MB संस्करण विकसित किया है। दो दूसरी पीढ़ी के एमआरएएम तकनीक विकास में हैं: थर्मल-असिस्टेड स्विचिंग (टीएएस) और स्पिन-ट्रांसफर टॉर्क (STT)। एक अन्य डिजाइन, रेसट्रैक मेमोरी, एक फेरोमैग्नेटिक तार की डोमेन दीवारों के बीच चुंबकीयकरण की दिशा में जानकारी को एनकोड करता है।

2012 में, सिंक्रनाइज़ किए गए इलेक्ट्रॉनों के लगातार स्पिन हेलिकॉप्टरों को एक नैनोसेकंड से अधिक के लिए बने रहने के लिए बनाया गया था, जो पहले के प्रयासों में 30 गुना वृद्धि, और एक आधुनिक प्रोसेसर घड़ी चक्र की अवधि से अधिक समय से अधिक थी।

सेमीकंडक्टर-आधारित स्पिनट्रॉनिक डिवाइस
डोपेड अर्धचालक सामग्री पतला फेरोमैग्नेटिज्म प्रदर्शित करता है।हाल के वर्षों में, ZnO- आधारित पतला चुंबकीय अर्धचालक सहित चुंबकीय ऑक्साइड (DMOs) को पतला करें। ZnO आधारित DMOS और TIO2]]-based DMOs have been the subject of numerous experimental and computational investigations. गैर-ऑक्साइड फेरोमैग्नेटिक अर्धचालक स्रोत (जैसे मैंगनीज-डोपेड गैलियम आर्सेनाइड (Ga,Mn)As), एक सुरंग बाधा के साथ इंटरफ़ेस प्रतिरोध बढ़ाएं, या हॉट-इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन का उपयोग करना। सेमीकंडक्टर्स में स्पिन डिटेक्शन को कई तकनीकों के साथ संबोधित किया गया है: बाद की तकनीक का उपयोग सिलिकॉन में स्पिन परिवहन को प्राप्त करने के लिए स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन और सामग्री के मुद्दों की कमी को दूर करने के लिए किया गया था। क्योंकि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र (और चुंबकीय संपर्कों से आवारा क्षेत्र) अर्धचालक में बड़े हॉल प्रभाव और मैग्नेटोरेसिस्टेंस का कारण बन सकते हैं (जो कि स्पिन-वाल्व प्रभावों की नकल करते हैं), अर्धचालकों में स्पिन परिवहन का एकमात्र निर्णायक सबूत एक चुंबकीय क्षेत्र में स्पिन प्रीसेशन और डिफासिंग का प्रदर्शन है।इंजेक्ट किए गए स्पिन ओरिएंटेशन के लिए गैर-कोलेनियर, जिसे हेनले प्रभाव कहा जाता है।
 * प्रेषित/परावर्तित फोटॉनों के फैराडे/केर रोटेशन
 * इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस का परिपत्र ध्रुवीकरण विश्लेषण
 * नॉनलोकल स्पिन वाल्व (मेटल्स के साथ जॉनसन और सिल्सबी के काम से अनुकूलित)
 * बैलिस्टिक स्पिन फ़िल्टरिंग

अनुप्रयोग
स्पिन-ध्रुवीकृत विद्युत इंजेक्शन का उपयोग करने वाले अनुप्रयोगों ने थ्रेशोल्ड करंट कमी और नियंत्रणीय गोलाकार ध्रुवीकृत सुसंगत प्रकाश आउटपुट दिखाया है। उदाहरणों में अर्धचालक लेजर शामिल हैं।भविष्य के अनुप्रयोगों में एक स्पिन-आधारित ट्रांजिस्टर शामिल हो सकता है जिसमें MOSFET उपकरणों जैसे कि स्टेटर सब-थ्रेशोल्ड ढलान पर लाभ होता है।

मैग्नेटिक-टनल ट्रांजिस्टर: मैग्नेटिक-टनल ट्रांजिस्टर सिंगल बेस लेयर के साथ निम्नलिखित टर्मिनल हैं:
 * एमिटर (FM1): बेस में स्पिन-ध्रुवीकृत गर्म इलेक्ट्रॉनों को इंजेक्ट करता है।
 * आधार (FM2): स्पिन-निर्भर बिखरना आधार में होता है।यह एक स्पिन फिल्टर के रूप में भी कार्य करता है।
 * कलेक्टर (GAAS): इंटरफ़ेस में एक शोट्की बैरियर बनता है।यह केवल उन इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करता है जिनके पास शोट्की बैरियर को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है, और जब राज्य अर्धचालक में उपलब्ध होते हैं।

मैग्नेटोक्यूरेंट (एमसी) के रूप में दिया गया है:


 * $$MC = \frac{I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}$$

और हस्तांतरण अनुपात (टीआर) है


 * $$TR = \frac{I_C}{I_E}$$

MTT कमरे के तापमान पर एक अत्यधिक स्पिन-ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉन स्रोत का वादा करता है।

स्टोरेज मीडिया
एंटीफेरोमैग्नेटिक स्टोरेज मीडिया को फेरोमैग्नेटिज्म के विकल्प के रूप में अध्ययन किया गया है, विशेष रूप से जब से एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री के साथ बिट्स को संग्रहीत किया जा सकता है और साथ ही फेरोमैग्नेटिक सामग्री के साथ भी संग्रहीत किया जा सकता है।सामान्य परिभाषा के बजाय 0 & nbsp; ↔ 'मैग्नेटाइजेशन ऊपर की ओर', 1 & nbsp; ↔ 'मैग्नेटाइजेशन नीचे की ओर', राज्य हो सकते हैं, उदा। )।

एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री के मुख्य लाभ हैं:


 * शून्य शुद्ध बाहरी चुंबकीयकरण के कारण आवारा क्षेत्रों द्वारा डेटा-डैमेजिंग गड़बड़ी के प्रति असंवेदनशीलता;
 * कणों के पास कोई प्रभाव नहीं, यह बताते हुए कि एंटीफेरोमैग्नेटिक डिवाइस तत्व अपने पड़ोसी तत्वों को चुंबकीय रूप से परेशान नहीं करेंगे;
 * far shorter switching times (antiferromagnetic resonance frequency is in the THz range compared to GHz ferromagnetic resonance frequency);
 * इंसुलेटर, सेमीकंडक्टर्स, सेमीमेटल, मेटल्स और सुपरकंडक्टर्स सहित आमतौर पर उपलब्ध एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री की व्यापक रेंज।

Research is being done into how to read and write information to antiferromagnetic spintronics as their net zero magnetization makes this difficult compared to conventional ferromagnetic spintronics. In modern MRAM, detection and manipulation of ferromagnetic order by magnetic fields has largely been abandoned in favor of more efficient and scalable reading and writing by electrical current. Methods of reading and writing information by current rather than fields are also being investigated in antiferromagnets as fields are ineffective anyway. Writing methods currently being investigated in antiferromagnets are through spin-transfer torque and spin-orbit torque from the spin Hall effect and the Rashba effect. Reading information in antiferromagnets via magnetoresistance effects such as tunnel magnetoresistance is also being explored.

यह भी देखें

 * इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय स्पिन अनुनाद
 * जोसेफसन प्रभाव
 * मैग्नेटोरिसिस्टिव रैंडम-एक्सेस मेमोरी (MRAM)
 * मैग्नोनिक्स
 * ग्राफीन#स्पिनट्रॉनिक्स के संभावित अनुप्रयोग
 * रशबा प्रभाव
 * स्पिन पंपिंग
 * स्पिन-ट्रांसफर टॉर्क
 * Spinhenge@घर
 * Spinmechatronics
 * स्पिनप्लास्मोनिक्स
 * वैलीट्रॉनिक्स
 * उभरती प्रौद्योगिकियों की सूची
 * मल्टीफ़ेरोइक

अग्रिम पठन

 * "Introduction to Spintronics". Marc Cahay, Supriyo Bandyopadhyay, CRC Press, ISBN 0-8493-3133-1
 * "Spintronics Steps Forward.", University of South Florida News
 * "Spintronics Steps Forward.", University of South Florida News
 * "Spintronics Steps Forward.", University of South Florida News
 * "Spintronics Steps Forward.", University of South Florida News
 * "Spintronics Steps Forward.", University of South Florida News
 * "Spintronics Steps Forward.", University of South Florida News
 * "Spintronics Steps Forward.", University of South Florida News

बाहरी संबंध

 * 23 milestones in the history of spin compiled by Nature
 * Milestone 18: A Giant Leap for Electronics: Giant Magneto-resistance, compiled by Nature
 * Milestone 20: Information in a Spin: Datta-Das, compiled by Nature
 * Spintronics portal with news and resources
 * RaceTrack:InformationWeek (April 11, 2008)
 * Spintronics research targets GaAs.
 * Spintronics Tutorial
 * Lecture on Spin transport by S. Datta (from Datta Das transistor)—Part 1 and Part 2
 * Lecture on Spin transport by S. Datta (from Datta Das transistor)—Part 1 and Part 2