В устройствах магнитной памяти запись информации осуществляется с помощью электрических токов, которые генерируют магнитные поля, необходимые для перемагничивания частиц нанометровых размеров. Непрерывная миниатюризация таких устройств требует увеличения энергии магнитной анизотропии частицы, на которую записывается информация, дабы предотвратить ее случайное перемагничивание из-за тепловых флуктуаций. Это, в свою очередь, влечет за собой необходимость увеличения магнитных полей, а следовательно – и создающих их токов. В результате приборы сильно перегреваются, ухудшаются их характеристики и т.п.

Нелокальный спиновый вентиль. a) Электрический ток I течет по проводу из нормального металла M через ферромагнитную частицу F1 с магнитным моментом µ1. Измеряется напряжение ΔV между металлом M и другой ферромагнитной частицей F2 с магнитным моментом µ2, расположенной вне области протекания зарядового тока. Величина нелокального магнитосопротивления ΔV/I при этом зависит от взаимной ориентации магнитных моментов µ1 и µ2. b) Схематическое изображение изменения энергии Ферми для электронов со “спином вверх” и “спином вниз” в металле M и частице F1

В работе [1] для перемагничивания частиц предложено использовать не зарядовые, а спиновые токи. Предлагаемое авторами устройство представляет собой вариант так называемого “нелокального спинового вентиля” (см. рис.). При инжекции зарядового тока через границу раздела нормального металла M (Cu или Au) и ферромагнетика F1 (Fe, Co, Ni или NiFe) происходит следующее. Если в металле электроны со “спином вверх” и “спином вниз” рассеиваются одинаково и поэтому дают одинаковый вклад в проводимость (а значит – и в полный ток), то в ферромагнетике, напротив, интенсивность рассеяния электронов с разным направлением спина сильно различается. Это приводит к локальному “расщеплению” уровня Ферми, который становится разным для электронов со “спином вверх” и “спином вниз”, DE_F ¹ 0, и к возникновению вблизи границы раздела неравновесного (но стационарного) состояния с ненулевым спином (“эффект накопления спина”). Справа от частицы F1 течет уже только спиновый ток, пропорциональный градиенту d(DE_F)/dx. Если магнитные моменты m₁ и m₂ неколлинеарны, то спиновый ток через границу раздела M/F2 изменяет направление m₂, при условии что DE_F превышает определенную пороговую величину.

Результаты работы [1] открывают путь к созданию новых спинтронных устройств, неподвластных губительному джоулеву нагреву, в том числе, например, спиновых транзисторов и логических элементов на их основе. Но прежде чем в персональных компьютерах появятся “спиновые процессоры”, предстоит решить еще немало проблем, как фундаментальных, так и прикладных. Одна из них заключается в резком уменьшении длины спиновой диффузии (от микрон в меди и десятков микрон в полупроводниках) при повышении температуры до комнатной. А когда все препятствия будут преодолены, и спинтроника войдет в нашу повседневную жизнь наряду с зарядовой электроникой, то следующей целью станет “мезоскопическая спинтроника”, использующая фазовую когерентность спиновых состояний.

• 1. T.Yang et al., Nature Phys. 4, 851 (2008)