Введение в спинтронику
 +7 (495) 939-20-03
 kofms@phys.msu.ru

Спецкурсы

Введение в спинтронику

Введите что-нибудь для фильтрации.

Лектор

Анатолий Константинович Звездин

ИОФ РАН

Главный научный сотрудник, д.ф.-м.н.

Аннотация

Спинтроника — это раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спин-поляризованного транспорта в твердотельных веществах. Помимо непосредственно заряда электрона, при использовании спин-поляризованных электронов, появляется еще один механизм воздействия на параметры системы — спин электрона. Управление спиновыми состояниями позволит создать сверхмалые логические элементы в которых ячейкой памяти служит спин электрона, компьютерные компоненты большой информационной ёмкости с огромным быстродействием и малым энергопотреблением и др.

Целью курса лекций является введение в спинтронику. В начале будет подробно рассмотрено три основных столпа магнетизма необходимых для понимания спинтроники, а именно магнитные материалы, магнитные явления и связанные с ними методы определения характеристик, а также приложения магнетизма в спинтронике. Будет проиллюстрирована взаимосвязанная роль наличия подходящих магнитных материалов, понимания лежащих в основе физики их поведения и использования их в приложениях и устройствах. Слушателей познакомят также с современными достижениями в области спинтронных устройств. Будут обсуждаться возможные, а также перспективные варианты приложения спинтронных устройств, и связанный с этим проблемы. Курс стремится предоставить студентам необходимых инструментов для работы в этой и смежных областях.

Программа курса

  1. Основы спинтроники
    Спин электрона, матрицы Паули, спиновый ток, эффект переноса спина, спин зависимое рассеяние, гигантское и туннельное магнитосопротивление, двухканальная модель, теория Жульера.
  2. Магнитные материалы
    Ферромагнетики, антиферромагнетики, слабые ферримагнетики, магнитные кластеры, магнитный туннельный контакт, синтетический антиферромагнетики, магнитные гетероструктуры.
  3. Микромагнитный подход
    Уравнение Ландау — Лифшица — Гильберта (ЛЛГ), эффективное поле, типы взаимодействий в ферромагнетике, микромагнитное моделирование, переход между микроскопическим и макроскопическим описанием динамики магнитного момента.
  4. Перенос магнитного момента
    Эффект переноса спина, спиновый вращающий момент, два типа вращающих моментов и их учёт в уравнениях ЛЛГ, теория Слонзуского, спиновая накачка, управляемая напряжением магнитная анизотропия (VCMA).
  5. Спин-орбитальное взаимодействие в спинтронике
    Гамильтониан Рашбы, эффект Рашбы — Эдельштейна, спиновый эффект Холла, обратный спиновый эффект Холла, спиновый эффект Зеебека, вращающие моменты спин-орбитальной природы, спин-орбитроника и спин-калоритроника.
  6. Устройства на MTJ
    Магнитная память с произвольным доступом (MRAM), модель Стонера — Вольфарта, метод Савченко, термостимулированная MRAM, MRAM c управлением током (STT-MRAM), спин-трансферный наноосциллятор (СТНО), спиновый диод, Микроэлектромеханические системы (Magnetic MEMS).
  7. Доменные границы (ДГ) в спинтронике
    Типы доменных границ, динамика ДГ в одноосном ферромагнетике, стационарное движение и предел Уокера, решение Уокера, методы возбуждения ДГ, практическое применение ДГ (трековая память, магнитная логика, мемристор).
  8. Динамические и топологические магнитные солитоны
    Магнитные вихри и антивихри, скирмионы и антискирмионы, топологический заряд, уравнение Тиля, вихревой СТНО, скирмионный и топологический эффекты Холла, скирмионы в антиферромагнетиках.
  9. Экспериментальные методики изучения магнитных и спинтронных явлений
    Магнитометрия, детектирование магнитного порядка, магнитные возбуждения, наблюдение магнитных доменов, исследования с временным разрешением.
  10. Изготовление магнитных струкутр
    Проектирование и производство магнитных структур: рост, травление, магнетронное распыление, литография. Магнитные устройства.
  11. Квантовые материалы
    Топологические изоляторы, двумерные и квазидвумерные материалы, квантовый эффект Холла. Магнитоэлектрический эффект. Майорановский и дираковский фермионы.
  12. Основы теории квантовых вычислений
    Возможные спинтронные реализации квантовых вычислений. Кубиты, квантовые точки. Проблема декогерентности, квантовая коррекция ошибок.

Литература

Основная

  • Гуревич, А. Г, Мелков Г. А., Магнитные колебания и волны Наука, 1994
  • Боков В.А., Физика магнетиков

Дополнительная

  • Coey, John MD. Magnetism and magnetic materials. Cambridge university press, 2010.
  • Blundell, Stephen. "Magnetism in condensed matter." (2003).
  • Ziese, Michael, and Martin J. Thornton, eds. Spin electronics. Vol. 569. Springer, 2007.
  • Demokritov, Sergej O., and Andrei N. Slavin, eds. Magnonics: From fundamentals to applications. Vol. 125. Springer Science & Business Media, 2012.
  • Baltz, V., et al. "Antiferromagnetic spintronics." Reviews of Modern Physics 90.1 (2018): 015005.
  • Y. Tokura, M. Kawasaki and N. Nagaosa “Emergent functions of quantum materials” Nature Physics 13, 1056–1068 (2017).
  • S. Bhatti at al. “Spintronics based random access memory: a review” Materials Today 20 (9), 530-548 (2017).
  • https://www.intechopen.com/books/magnetic-sensors-principles-and-applications/magnetic-field-sensors...
  • Grollier, J., Querlioz, D., Camsari, K.Y. et al. “Neuromorphic spintronics” Nature Electronics (2020)

Другие спецкурсы программы