Albert  Fert (2010) - The World of Spintronics: Electrons, Spins, Computers and Telephones

Spintronics1 is a new field of research which exploits the influence of the electron spin on electronic transport. It is well known for the giant magnetoresistance of the magnetic multilayers and its application to increase the capacity of the hard discs, but it has also revealed many other interesting effects

Good morning, so I'm glad to be with you for a while. Thanks for the organiser for giving us this opportunity of meeting. What I will present, is a relatively recent field of research, which is called spintronics, not only a field of fundamental research. There are all the applications of spintronics. For example we use spintronics, we use giant magnetoresistance to read the hard disk of our computer. So spintronics, in the word of spintronics there is the word spin, spin is a small way for shortly speaking, the very small magnet carried by the electrons and sometimes it is said that spintronics is a new type of electronics exploiting not only the charge of the electron, like the conventional electronics, but also exploiting the spin of the electrons. Spintronics is mainly known by the general public for the giant magnetoresistance and the application to the hard disk of the considerable increase of the capacity of the hard disk growth by the giant magnetoresistance. But from my point of view our discovery by Peter Grünberg and myself of the giant magnetoresistance, was only simple stage in a much longer process. There was something before the discovery of the GMR, of the giant magnetoresistance. The research on the fundamental physic on the influence of the spin on the electrical conduction. And after the discovery of the GMR the research has been very active and has revealed many other effects also related to the influence of the spin on the electrical conduction. And the spintronics today is spreading in many very promising directions. We are just at the beginning of the development of spintronics. So my first projection, ok present this development of spintronics, again the charge and the spin of the electron and what is exploited in spintronics is the fact that in a magnetic material like iron or cobalt the conduction properties are different for the electron pointing their spin to the north pole and in the opposite direction. And this spin dependent conduction is exploited in magnetic nanostructure for example multilayers with only few atomic layers, point contacts, magnetic tunnel junctions. In fact, nano structuration is essential for spintronics, we see that the development of spintronics was boosted by the development of the nanotechnology. And this expectation of the spin dependent conduction in this structure leads to the spintronic effect, GMR or tunnel magnetoresistance, TMR, both have many applications. And now spintronics expanding in many new directions, for example very active field of research on the experiment of spin transfer. In spin transfer experiments you can manipulate a magnet, the magnetisation of a ferromagnetic body without applying any magnetic field, simply by a sort of transfusion of spins, spin angular momentum carried by an electrical current. A sort of transport to distance of magnetisation. And this transfusion of spins can be used either, for example to switch a magnetisation, this will be used soon in the new generation of magnetic memories. And in other conditions this transfusion with spin can be also used to generate oscillation in the microwave, radio wave frequency range with also soon probably application in telecommunication for our telephone for example. And there are also other very active field spintronics with semiconducters as fusion between conventional electronic and spintronic, spintronic with carbon based material like nanotubes, single-electron electronics, are one of the ways to quantum computing. So I will describe this development, I will spend a lot of time on this new direction, but before, for those who are not familiar with, who are not physicists, I will begin by something very simple on the basic physics of spintronics, the general concept, the discovery of GMR. And so basic physics, again our electrons, the spin, the charge, consider the spin is this magnet related to the rotation of the electron on itself. And what is a magnetic material? In fact a magnetic material is a material in which there is a different number of electrons pointing their spin to the north pole and to the south pole and this is the origin of the spontaneous magnetisation of the materials. What I can say also is that in fact the spin is a quantum mechanical character of the electron so there is quantisation of the orientation. And we'll see that in the magnetic material we'll speak only about two spin directions: plus and minus, up and down, spins of these electrons. So now spintronics: usual conventional electronics fabricate currents, electrical currents by moving the electron with electrical potentials, electrical fields and the difference with spintronics is that the control, the action on the spin is also used to control the motion of the electron. And very generally this can be done by using, by putting in the way of the electrons some magnetic material to exploit the influence of the spin on the electrical conduction with this material. In fact, we can say that in a magnetic material like iron or cobalt the conduction is by two channels, spin up and spin down. And sometimes the difference between the conduction between these two channels can be very strong. For example if one dopes for example the material with some magnetic, some impurity, having also some less spin dependent cross section for the electron. For example you can see the resistivity of the two channel, up down, in use by one percent of this impurity into nickel. And you can see that if you put in cobalt impurities there is, the conductions, electrical resistance is 20 times larger in the channel. So the cobalt impurity slows down strongly the current in the channel, leaving the channel almost free. And on the contrary this is the opposite for chromium or vanadium impurities. Then the free conduction is through the spin down channel. These results are not very new, they were in my PhD in '70 and actually we had also at this time some experiments more or less based on the same concept of the giant magnetoresistance experiments in which we put two impurities at the same time in nickel. So suppose you put (in) at the same time cobalt and chromium, cobalt will slow down the electron in the channel, chromium in the other channel and finally the resistivity will be very high. If you choose two impurities with opposite spin symmetry. But on the contrary if you choose two impurities like iron and cobalt having the same spin symmetry, this channel will remain free and resistivity will be low. And so what is the concept of GMR? Why not replace these two impurities by two magnetic layers, the situation with opposite symmetry corresponding to the anti-parallel orientation of the magnetisation of the two layers. And the other situation with low electrical resistance to the parallel orientation obtained by applying a magnetic field. In fact this is summarised in the next slide. Suppose that on the way of the electron there are two layers and anti-parallel align at the beginning for the magnetisation, in this situation, ok so first layer will stop the blue electrons. The red can cross the first layer, but will be stopped more or less by the second and the resistivity will be very high. If by applying a field one goes to the parallel configuration, the red electron can go through the first and the second and this opens the way to the current, the resistivity will be low. But if one knows the conduction, the equation for the electrical conduction, it is possible to predict that this mechanism will work if the distance between the two layers is shorter than the electron mean free path, something of the order of a few nanometres in metallic layers. And so at this time, it was not technically possible to prepare that thin layers, very thin layers of only few nanometres. So I had only to put this idea on ice but then at the beginning of the '80's with the development of the microelectronic industry and the development of techniques like for example molecular beam epitaxy became possible with this technology to deposit very, very thin films. And then to try to test the concept of the GMR. And it was possible then to prepare this sort of multilayer, so for example the balls are atoms, three atomic layer of iron, three atomic layer of chromium, etc, this is a multilayer. And why iron and chromium? Because my Nobel colaureate Peter Grünberg in '86 had found that for a very thin layer of chromium, three atomic layer typically, there was an interaction between the magnetisation in the two adjacent layers, that were to put the magnetisation in the opposite direction. So this turned out to be the ideal system to test, to see by applying a field, if one can change strongly the resistivity by applying a field and aligning the magnetisation. And this led to the discovery of the GMR, this is a result at Orsay and there's one by Peter Grünberg in Germany. And so by applying this resistance with the function of the field, the field transforms the anti-parallel magnetic configuration, align the magnetisation and you can see the corresponding curve of the resistance which has been called the giant magnetoresistance because it's very large, 80% of the resistance. And the mechanism is what I have already described, except that the current is not perpendicular to the layer but it's not very important, it's a little more complex for the interpretation, but the interpretation is more or less the same. In the parallel configuration one of the spin directions can go through all the magnetic layers easily and there is a shorting, a small resistivity and on the contrary in the anti-parallel configuration in each channel the electrons slow down in every single layer and the resistivity is very large. Of course this occurs, as expected, for very thin layers, for example less than one nanometre for the maximum effect in iron chromium. So, of course this is a too simple model. The theory has been involved to understand better this interpretation but I don't want to discuss the development of the theory of the GMR. I will say a few words on the application, the most important economically was the application to the hard disk. In the hard disk information is stored in this tracks, circular tracks, composed of, this is a sort of ribbon, magnetic ribbon with zeros and ones stored by segments with magnetisation to the right and to the left, magnetic bits. And the problem is to detect the small magnetic field generated by these magnetic bits and this is done in the, since '97, by putting in, add a multilayer, magnetic multilayer, those that I have described before. And when the head sees this magnetic field the magnetisation of the different magnetic layer becomes parallel, this decreases electrical resistance and this is giant magnetoresistance, this opens the way to the current and the magnetic bit can be detected. And so the sensitivity of the GMR for the detection of the magnetic field leads to detect smaller fields, smaller bits. And so to decrease the size of the bit and put a large number of bits in the same disk and so the capacity of the disk has been enhanced by more or less three orders of magnitude with the introduction of the GMR. In addition, economically it was also important in that it became possible to store significant information into a very small disk, of the size of a coin and to extend the technology of the hard disk of the computer to mobile electronics, iPods, some cameras, some mobile phones. And so the GMR has been also in application, for example in the automotive industry. I will mention simply one of the applications, one of the several applications in the biomedical technologies. This is, I took these slides from a colleague in Stanford University but this sort of device is developed in several laboratories in Europe, too. So it is the detection of bio molecules. For example if you want to detect some proteins in the blood characteristic of some cancer. And so starting with a GMR sensor then the first step is to create some antibody that, for example some other molecule that will trap these proteins, for example the corresponding antibodies and then these proteins trap it on the sensor. But also if there is in the same field some other antibody, labelled by a magnetic particle, then each protein will be also decorated by this magnetic particle. That will be detected by the GMR sensor. And with the sensitivity of the sensor, according to results in several laboratories, it becomes possible to detect only a small number of molecules, two, three or four and so to have a very large sensitivity for very small concentrations of molecules in the field. And for example what was said by this colleague at Stanford, that these sorts of things should enable earlier cancer detection, detection of this very small concentration of atypical molecules. And also another advantage of this technology is, that it's possible to, in the same very small device to put and so to put a large number, almost 1,000 according to what is announced by some companies and some laboratories. To detect not only a single molecule but to analyse a large number of different molecules in the same device. So it might be also this will be an important device for medicine in the next year. Ok, so after this introduction on the basic physics of spintronics and on GMR, and some application of GMR, I continue the history, I will proceed to another important step in the development of spintronics, the magnetic tunnel junction and the TMR, the tunnelling magnetoresistance of these tunnel junctions. So a magnetic tunnel junction is, again we have two magnetic layers separated by an insulating layer. And so if this layer is very thin, less than one nanometre, the electrode can go through by using a mechanism, which is tunnelling conduction. In fact it has come from the fact that in quantum mechanics an electron is not localised at a given position, but as a wave function spreading around. And if this wave function spread can spread on the other side of what is called the tunnel barrier it will give a probability of transmission that is a tunnelling conduction. But the final property is the same, that for the GMR that is, that there will be for this tunnel junction and for the vertical current, different resistances for the parallel and anti-parallel magnetic configuration of the two electrodes. So the very reproducible result has been obtained for the effect after '95, mainly from the results in the group of Miyasaki in Japan and this magnetic tunnel junction, this TMR have several applications. First they are used now in the recent heads of the disk, of the hard disk but I will speak mainly about another application that could be important in the future, that is magnetic random access memory. In fact, I must say that in your computer you have a massive memory in the disk, but the disadvantage of the disk is that the access time to the information is very slow, you need one millisecond to get one bit in the disk and this is too slow for the speed of the computer today. And so when you switch on your computer you store a part of the memory into RAM, random-access memory, semiconductor memories, which have an access time very short, one nanosecond typically. But these RAMs have a disadvantage: They are volatile. That is you need some power to maintain the memory alive. And in addition for most memories you have to refresh the memory every (cycle). So you need to consume energy even if the computer does not really work and also you have to store back your work on the hard disk when you want to switch off the computer. And so the idea with M-RAMs is to replace the semiconductor cell of the RAM by this magnetic, very small magnetic tunnel junctions in some electronic devices and storing this all in one by these two configurations. So the third generation has been put into the market four years ago by Motorola, Freescale Motorola, and has only small impact in the technology of the computer, there are some disadvantages compared to the semiconductor RAMs, except for some, for space, for avionic, for defence. In fact you can find these new types of M-RAM's are used for example in the airbus, in the planes, because they have an interesting property for this application: They are insensitive to the cosmic ray of the previous talk, which are very damaging to conventional electronics with semiconductors. So these M-RAM's are already intensively used in the planes for examples, but much more, more generally for our computers on the ground it is expected from the new generation, which is called STT-RAM's, spin transfer torque RAM's. That we will use, will exploit the recent advance on the TMR, very impressive advance and also what I already explained at the beginning, the writing of the memory by spintransfer, by transfer of spins, purely electronic transfer. So in fact the advances, the progress in TMR came from technological advance in the preparation of purely single-crystal multilayers, that is the channel junction, in which the atoms are ordered like in a crystal, in a crystal lattice, for example MgO, you can see the atomic micro of MgO and in(of) the electrodes of iron. And in fact this tunnel junction gives a very large TMR, that is an increase by a factor of ten depending on the orientation of the electrodes. And in fact the physics is also beautiful. I can explain rapidly the physics, in fact, why is magnetoresistance of TMR so large? Because in fact it can be shown theoretically, that in fact the tunnelling through a single crystal, like MgO, actually you see the interface is of a very high quality, depend on the symmetry of the wave function. And so the MgO is more transparent to some symmetry, which is called Delta one. And then the performance of this tunnel junction, because the electrode has been chosen to have this specific symmetry only for spin up electrons and not for spin down. So the combination of this selection of the symmetry of the wave function with what is known on the electronic structure of the electrode can lead to this very high magnetoresistance. So again you can see the advance came from a combination of theoretical progress in the understanding of the mechanism, physical mechanism of the tunnelling. And from the possibility held by the nano technology to prepare tunnel junction with this perfect interface and perfect ordering of the atoms. So the next generation will also use the writing by the spin transfer torque. I will come back on the spin transfer torque. And so the balls represent the magnetic body. And what is spin transfer torque? It is transfusion of spin to manipulate the spin. The arrow of the, so you can see for example, you can send spin in and you reverse the magnetisation. Or in other conditions this can be used to induce this sort of precession and funnel generation of radio waves. And so the first regime, in the first regime the experiment can be performed in this sort of pillar. We called like a pillar, this layer is the polariser which will produce the spin-polarised current that will be injected in the free layer. And in the simplest regime this transfusion of spin can be used simply to reverse the magnetisation. The reversal is an experimental result, for example can be detect simply by the change of resistance, the GMR of this trilayer, magnetic trilayer. This jump is due to, this current, to the transition between parallel and anti-parallel. So this switching of a magnetic body by spin transfer will be used in the next generation of STT-RAM's. In the first generation, the writing was obtained by magnetic fields, circular magnetic field generated by current pulse in some current lines. This is not a very local addressing. In the new generation, the writing will be simply obtained by spin transfer, purely electronic, very local addressing of the memory. And according to the results by several companies, there is a lot of companies working on these projects, this writing now is very, with a very low energy consumption, decreased by two orders of magnitude of the current requirements in this sort of device. And there are also some very promising new types of devices, for example very promising new types of processors using this type of memory. For example you see in this some types of processors, conventionally there is side by side a semiconductor logic part, CMOS, CMOS is the word for semiconductor logic and on this side a CMOS memory made of flash memory and SRAM memory. And in the new devices developed by several companies, the CMOS memory is replaced by the STT-RAM and embedded on the top of the CMOS logic. And there is not only a decrease of the size, which is important in technology, but also a reduction of the number of transistors. For that finally the energy consumption is strongly reduced. In fact this sort of hybrid structure combining cloned conventional technology or semiconductors with the new technology, spintronic in this case, in my opinion is representative of what is expected at the end of the CMOS evolution. You know that the evolution of the semiconductor technology is described so far by the more slow, the continuous decrease of the size, increase of the speed. But this evolution will stop due to some physical limits in ten years more or less. And so there are several candidates beyond CMOS: molecular electronics, spintronics. But inbetween I think there will be some interim generation of this sort of hybrid structures combining, pushing a little more the limit of the semiconductor technology by mixing for example with spintronics or with other technlogies. So this is, this new type of processors are simply representative of this evolution, of this further evolution of electronics. The other regime is the regime of steady precession and in this regime you see, you can induce a precession of the magnetisation of this layer. And so there is a periodic variation of the angle between the magnetisation of the two layers, so that due to the GMR effect, there is a periodic variation of the resistance of the trilayer, of this magnetic trilayer. And so due to this periodic variation resistance there is a periodic variation of the voltage between the top and the bottom. So a production of an AC voltage, production of the oscillation. You can see an example of an spectrum of this oscillation in the microwave range, as you can see. And this new type of oscillator that I call STO, spin transfer oscillator, are very promising for telecommunication application. One of the advantages being the tunability, the possibility of tuning easily the frequency by changing the spin transfer current. And the agility, the possibility of tuning this frequency very rapidly. There are some key issues, one needs for the moment, before proceeding really to application, increasing the power, more spectral purity, smaller linewidth of the emission and also it would be necessary to synchronise, to be able to synchronise a large number of STO's. So in fact increasing the power can be done by working with the new generation of tunnel junctions, with the MgO barriers. And of course with this tunnel junction it is possible to increase strongly the power; two microwatt is more or less what is needed for application. But for this, the processing mechanism width of the line, of the emission line in the microwave frequency range, is too large. But fortunately there are now, one knows that there is the possibility of rotary excitation, speed excitation that can give real high performance oscillators. For example it's possible to in this sort of structure, by injecting current into trilayers first with the field, magnetically generated, to induce this vortex configuration of the magnetisation. And then the spin transfer induces this rotation of the magnetisation. And this gives very thin and very large power and at this time very good spectral purity, certainly there will be soon application of this type on the ways in our telephones for example. So there is also the possibility of synchronising several rotations. And I will end in two minutes with some happy comments on other emerging directions. Spintronic with semiconductor, very active, aiming to combine the potential of electronics and spintronics. I skip the slide on this part. Spintronics with carbon material, very, very promising, why with carbon nanotube and graphene and probably other molecules? And why? Because these carbon based materials, spin relaxation in this, flipping, the polymers flipping is due mainly to the spin orbit interaction, which is very small for carbon. So all these carbon based materials have a very long spin relaxation time. And so the spins, a spin-polarized current when it is injected somewhere, can be propagated to long distances. And for example in this paper we have found that the in carbon nanotubes a spin injected can propagate without flipping to 50 nanometre, which is very long. And in fact these propagations are long distance propagations of pure spin currents. What is pure spin current? In fact correspond to the situation you have a spin of electron flowing in this direction, spin down in the opposite direction. This can be done easily. And this pure spin currents have several advantages, there is no short current, no capacitive effects and also it can be shown that in some conditions the energy consumption can be very small. And so there are several prospects, interesting prospects with this pure spin currents. In fact for example one can imagine several concepts to now transport and process the information, not with a charge current like in conventional computation, but with a pure spin current, that becomes possible with the spin current in graphane or carbon nanotube can be transported to long distance. So there is for the beyond CMOS-perspective very interesting prospect with the propagation of pure spin current in this carbon based material. Last interesting direction, also there are many other directions, quantum computing, neuromorphic electronics and computing is also an interesting direction. You know that one of the strong advantages of the operation in the brain of animals comes from the plasticity of the synapses transmitting the information from neuron to neuron. And of course in our computers there is no equivalent of the synapse, all the components are static and do not evolve. And this is one of the difficulties, one of the strong hold backs of present-day computers. But ok, so why not try also to mimic the synaptic plasticity and to conceive components that will also evolve, transmit more or less as a function of the number of information bit they will transmit. And so this is an interesting direction, for example Hewlett Packard has proposed some components that they call memristor, that evolve with time and want to mimic and we are also developing some work with spintronics in this direction. And certainly this is a new emerging direction in spintronics that can be important in the future. So I will not comment this long hot map of the society in Japan on spintronics, it's too long, I want to summarise only by saying, to conclude that spintronics certainly is a very young science, a small baby but this baby is growing relatively well. We can see that. And it's not my last transparency, my last transparency is simply to thank my co-workers and I will conclude. One of the pleasures, in fact, is addressed to the students in the room. Ok, I am always amazed by the fact that science can produce new and new advances. So I have been, I am still amazed by how well it works. When I was a PhD student, in fact, ok, I was happy to see that some experiments were working and were showing that in some alloys there was this strong spin dependence of the conduction. Ok but there was a result, I was not imagining that this simple result can open some gates and that finally this type of results would be in the future at the origin of the base of spintronics and the base of all we've seen. Finally it was a young student who finds something, this opens a gate, this is a source of another progress and so on. And also in the development of spintronics I have seen that every year there is another advent that couldn't be predicted before. And what I want to say to you students, that finally there is a lot of things, new discoveries to be found. These discoveries are waiting for you and in fact the space is very large and it works certainly more easily than you can see. And finally I will say that there is a pleasure imagining new ideas and seeing this idea becoming concrete. And other things that I like in my job is also to work in a team, so I am very happy to work with this team, these guys you see in the picture and is finished, I thank you for your attention.

Guten Morgen. Also, ich freue mich, eine Weile bei Ihnen zu sein. Danke an die Organisatoren für die Gelegenheit zu dieser Zusammenkunft. Worüber ich hier sprechen möchte, ist ein ziemlich neues Forschungsfeld, das Spintronik genannt wird, nicht nur ein Bereich der Grundlagenforschung. Es gibt viele Anwendungen von Spintronik. Wir verwenden zum Beispiel Spintronik, wir verwenden den Riesenmagnetowiderstandseffekt, um die Festplatte unseres Computers zu lesen. Spintronik also, im Wort Spintronik steckt das Wort Spin, Spin ist eine Kurzform für, kurz gesagt, den sehr kleinen Magneten, der von den Elektronen getragen wird, und manchmal sagt man auch, dass Spintronik eine neue Art von Elektronik ist, die nicht nur der Ladung des Elektrons nutzt wie die herkömmliche Elektronik, sondern auch den Spin der Elektronen. Spintronik ist der breiten Öffentlichkeit vor allem durch den Riesenmagnetowiderstand und seine Anwendung auf die Festplatte bekannt, der beträchtlichen Steigerung der Kapazität des Festplattenwachstums durch den Riesenmagnetowiderstand. Von meinem Standpunkt aus war unsere Entdeckung durch Peter Grünberg und mich des Riesenmagnetowiderstands aber einfach nur ein Stadium in einem viel längeren Prozess. Es gab etwas vor der Entdeckung des GMR, des Riesenmagnetowiderstands. Die Forschung im Bereich der Grundlagenphysik über den Einfluss des Spins auf die elektrische Leitfähigkeit. Und seit der Entdeckung des GMR ist die Forschung sehr aktiv und hat viele weitere Effekte offenbart, die auch mit dem Einfluss des Spins auf die elektrische Leitfähigkeit zu tun haben. Und die heutige Spintronik breitet sich in viele vielversprechende Richtungen aus. Wir stehen noch ganz am Anfang der Entwicklung der Spintronik. Meine erste Folie, OK, das funktioniert nicht... OK, ich stelle diese Entwicklung der Spintronik vor, noch einmal die Ladung und der Spin des Elektrons und was in der Spintronik genutzt wird, ist die Tatsache, dass sich in einem magnetischen Material wie Eisen oder Kobalt die Leitfähigkeitseigenschaften bei einem Elektron, dessen Spin zum Nordpol ausgerichtet ist, unterscheiden von der entgegengesetzten Richtung. Und diese spinabhängige Leitfähigkeit wird bei magnetischen Nanostrukturen genutzt, z.B. bei Mehrlagensystemen mit Schichten aus nur wenigen Atomen, Punktkontakten, magnetischen Tunnelkontakten. Tatsächlich ist eine Nanostruktur wesentlich für die Spintronik, man erkennt, dass die Entwicklung der Spintronik von der Entwicklung der Nanotechnologie profitierte. Und diese Nutzung der spinabhängigen Leitfähigkeit in dieser Struktur führt zum Spintronik-Effekt, GMR oder zum magnetischen Tunnelwiderstand, TMR, beide werden häufig angewendet. Und die Spintronik breitet sich gerade in viele Richtungen aus, ein sehr aktives Forschungsfeld ist bspw. der Versuch der Spinübertragung. Bei Spinübertragungsexperimenten kann man einen Magneten manipulieren, die Magnetisierung eines ferromagnetischen Körpers ohne das Anlegen eines Magnetfelds, einfach durch eine Art Übertragung von Spins, Spin-Bahndrehimpuls durch einen elektrischen Strom getragen. Eine Art Transport von Magnetisierung über weite Entfernung. Und diese Übertragung von Spins kann entweder verwendet werden zur Umpolung einer Magnetisierung, dies wird bald in der neuen Generation magnetischer Speicher eingesetzt werden. Und unter anderen Bedingungen kann diese Spinübertragung auch zur Erzeugung von Schwingung in der Mikrowelle verwendet werden, im Frequenzbereich von Radiowellen mit wahrscheinlich ebenfalls baldiger Anwendung in der Telekommunikation für unsere Telefone zum Beispiel. Und es gibt andere sehr aktive Bereiche, Spintronik mit Halbleitern als Verschmelzung zwischen herkömmlicher Elektronik und Spintronik, Spintronik mit kohlenstoffbasiertem Material wie Nanoröhrchen, Einzelelektron-Elektronik, sind einige der Wege zum Quantencomputer. Ich werde also diese Entwicklung beschreiben, ich werde eine Menge Zeit auf diese neue Richtung verwenden, aber vorher, für die, die sich damit nicht auskennen, die keine Physiker sind, fange ich mit etwas ganz Einfachem über die Grundlagenphysik der Spintronik an, dem allgemeinen Konzept, der Entdeckung des GMR. Die Grundlagenphysik also, wieder unsere Elektronen, der Spin, die Ladung, betrachten Sie den Spin als diesen Magneten in Bezug zur Eigenrotation des Elektrons. Und was ist ein magnetisches Material? Tatsächlich ist ein magnetisches Material ein Material, bei dem eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen ihren Spin nach dem Nordpol und nach dem Südpol ausrichten und das ist der Ursprung der spontanen Magnetisierung der Materialien. Was man auch sagen kann ist, dass der Spin tatsächlich ein quantenmechanisches Merkmal des Elektrons ist, es gibt also Quantisierung der Orientierung. Und wir werden sehen, dass man bei einem magnetischen Material nur von zwei Spinrichtungen spricht: Plus und Minus, Up- und Down-Spin dieser Elektronen. Nun also Spintronik: Normalerweise generiert die herkömmliche Elektronik Ströme, elektrische Ströme, indem sie die Elektronen durch elektrische Spannung, elektrische Felder bewegt, und der Unterschied zur Spintronik besteht darin, dass die Steuerung, die Aktion auf den Spin ebenfalls zur Steuerung der Bewegung des Elektrons verwendet wird. Und ganz allgemein kann dies erreicht werden, indem man den Elektronen ein magnetisches Material in den Weg stellt, um den Einfluss des Spins auf die elektrische Leitfähigkeit dieses Materials zu nutzen. Tatsächlich kann man sagen, dass in einem magnetischen Material wie Eisen oder Kobalt die Leitfähigkeit durch zwei Kanäle, Spin-Up und Spin-Down, bedingt wird. Und manchmal kann der Unterschied in der Leitfähigkeit zwischen diesen beiden Kanälen sehr stark sein. Zum Beispiel, wenn man zum Beispiel das Material mit etwas Magnetischem, einer Verunreinigung dotiert, was auch einen etwas weniger spinabhängigen Wirkungsquerschnitt für die Elektronen bedeutet. Man sieht zum Beispiel den Widerstand der beiden Kanäle, Up, Down, wenn man ein Prozent dieser Verunreinigung in Nickel verwendet. Und man sieht, dass, wenn man mit Kobalt verunreinigt, gibt es, die Leitfähigkeiten..., elektrischer Widerstand ist 20 Mal größer im Kanal. So verlangsamt die Verunreinigung den Strom im Kanal stark und lässt den Kanal beinahe frei. Und im Gegenteil verhält es sich genau umgekehrt mit Verunreinigungen durch Chrom oder Vanadium. Dann erfolgt die freie Leitfähigkeit durch den Spin-Down-Kanal. Diese Ergebnisse sind nicht sehr neu, sie waren auch schon in meiner Doktorarbeit 1970 und tatsächlich führten wir damals auch einige Experimente durch, die mehr oder weniger auf demselben Konzept wie die Experimente zum Riesenmagnetowiderstand basierten, bei denen wir Nickel mit zwei Verunreinigungen gleichzeitig dotierten. Also angenommen man verunreinigt gleichzeitig mit Kobalt und Chrom, Kobalt verlangsamt das Elektron im Kanal, Chrom im anderen Kanal und schließlich ist der Widerstand sehr hoch. Wenn man zwei Verunreinigungen mit entgegengesetzter Spinsymmetrie wählt. Aber im Gegenteil, wenn man zwei Verunreinigungen wie Eisen und Kobalt wählt, die die gleiche Spinsymmetrie haben, bleibt dieser Kanal frei und der Widerstand ist gering. Und was also ist das Konzept des GMR? Warum diese beiden Verunreinigungen nicht durch zwei magnetische Schichten ersetzen, die Situation mit entgegengesetzter Symmetrie entspricht der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung der beiden Schichten. Und die andere Situation mit niedrigem elektrischem Widerstand der parallelen Ausrichtung, die man durch Anlegen eines Magnetfelds erhält. Und wirklich ist dies auf der nächsten Folie zusammengefasst. Angenommen im Weg des Elektrons gibt es zwei Schichten und antiparallele Ausrichtung am Anfang der Magnetisierung, in dieser Situation, OK, also wird die erste Schicht die blauen Elektronen stoppen. Die roten (Elektronen) können die erste Schicht durchqueren, werden aber mehr oder weniger durch die zweite aufgehalten und der Widerstand ist sehr hoch. Wenn man durch Anlegen eines Feldes die parallele Konfiguration herstellt, kann das rote Elektron die erste und die zweite durchqueren und das gibt den Weg für den Strom frei, der Widerstand ist gering. Aber wenn man die Leitfähigkeit kennt, die Gleichung für die elektrische Leitfähigkeit, ist es möglich, vorherzusagen, dass dieser Mechanismus funktionieren wird, wenn der Abstand zwischen den beiden Schichten geringer ist als die mittlere freie Weglänge des Elektrons, etwas in der Größenordnung von ein paar Nanometern bei metallischen Schichten. Und daher war es damals technisch nicht möglich, so dünne Schichten herzustellen, sehr dünne Schichten von nur wenigen Nanometern. Also musste ich diese Idee auf Eis legen, aber dann, Anfang der 1980er, mit der Entwicklung der Mikroelektronikbranche und der Entwicklung von Techniken wie z.B. der Molekularstrahlepitaxie wurde es möglich, mit dieser Technologie sehr, sehr dünne Schichten aufzutragen. Und dann zu versuchen, das Konzept des GMR zu beweisen. Und dann war es möglich, diese Art von Mehrlagensystemen zu präparieren, so sind zum Beispiel die Bälle Atome, eine 3 Atome dünne Schicht aus Eisen, eine 3 Atome dünne Schicht aus Chrom usw., das ist ein Mehrlagensystem. Und warum Eisen und Chrom? Weil mein Nobelpreismitgewinner Peter Grünberg 1986 herausfand, dass es bei einer sehr dünnen Schicht aus Chrom, typischerweise 3 Atome dünn, zu einer Wechselwirkung zwischen der Magnetisierung in den zwei angrenzenden Schichten kommt, die die Magnetisierung in die entgegengesetzte Richtung ausrichtet. Daher stellte sich dies als ideales Testsystem heraus, um festzustellen, ob beim Anlegen eines Feldes, ob man den Widerstand stark ändern kann, indem man ein Feld anlegt und die Magnetisierung parallel ausrichtet. Und dies führte zur Entdeckung des GMR, dies ist ein Ergebnis aus Orsay und das ist eines von Peter Grünberg in Deutschland. Und durch Anwenden des Widerstands auf die Funktion des Feldes, das Feld wandelt die antiparallele magnetische Konfiguration um, richtet die Magnetisierung aus und man sieht die entsprechende Kurve des Widerstands, den man Riesenmagnetowiderstand nannte, denn sie (die Änderung) ist sehr groß, 80 Prozent des Widerstands. Und der Mechanismus ist der, den ich bereits beschrieben habe, außer, dass der Strom nicht senkrecht zur Schicht fließt, aber das ist nicht sehr wichtig, macht die Interpretation ein wenig komplizierter, aber die Interpretation ist mehr oder weniger gleich. Bei der parallelen Ausrichtung kann eine der Spin-Richtungen leicht alle magnetischen Schichten durchdringen und da gibt es einen Kurzschluss, einen geringen Widerstand, und im Gegensatz dazu verlangsamen sich bei der antiparallelen Ausrichtung in jedem Kanal die Elektronen in jeder einzelnen Schicht und der Widerstand ist sehr groß. Dies tritt, wie erwartet, natürlich bei sehr dünnen Schichten auf, zum Beispiel weniger als ein Nanometer für den maximalen Effekt bei Eisen/Chrom. Natürlich ist das ein zu einfaches Modell. Die Theorie wurde hinzugezogen, um diese Interpretation besser zu verstehen, aber ich möchte nicht über die Entwicklung der Theorie des GMR sprechen. Ich sage ein paar Worte zur Anwendung, die wirtschaftlich wichtigste war die Anwendung auf die Festplatte. Auf der Festplatte werden Daten in Spuren gespeichert, kreisförmigen Spuren, bestehend aus, das ist eine Art Band, magnetisches Band mit Nullen und Einsen nach Sektoren gespeichert, mit Magnetisierung rechts und links, magnetische Bits. Und das Problem ist, das von diesen magnetischen Bits erzeugte, kleine magnetische Feld zu erkennen, und dies wird erreicht in den..., seit 1997, durch Einfügen, Hinzufügen eines Mehrlagensystems, magnetische Mehrlagensysteme, solche, die ich zuvor beschrieben habe. Und wenn der Kopf dieses magnetische Feld sieht, wird die Magnetisierung der verschiedenen magnetischen Schichten parallel, das reduziert den elektrischen Widerstand, und das ist Riesenmagnetowiderstand, das öffnet dem Strom den Weg und das magnetische Bit kann erkannt werden. Und so führt die Empfindlichkeit des GMR für die Erkennung des magnetischen Feldes zur Erkennung kleinerer Felder, kleinerer Bits. Und um die Größe des Bits zu reduzieren und eine große Anzahl von Bits auf derselben Platte unterzubringen, und so wurde die Kapazität der Platte mit Einführung des GMR um mehr oder weniger 3 Größenordnungen verbessert. Außerdem war es wirtschaftlich auch wichtig, dass es möglich wurde, erhebliche Datenmengen auf einer sehr kleinen Platte zu speichern, von der Größe einer Münze, und so die Technologie der Festplatte des Computers auf mobile Elektronik, iPods, einige Kameras, einige Mobiltelefone zu übertragen. Und so wird der GMR auch, z.B., in der Automobilindustrie eingesetzt. Ich nenne einfach eine der Anwendungen, eine von mehreren Anwendungen in der biomedizinischen Technik. Das ist, ich habe diese Folien von einem Kollegen an der Stanford University, aber diese Art von Gerät wird auch in mehreren Labors in Europa entwickelt. Das also ist die Erkennung von Biomolekülen. Wenn man zum Beispiel einige Proteine im Blut erkennen möchte, die Merkmale von einigen Krebsformen sind. Und daher beginnt man mit einem GMR-Sensor, dann ist der erste Schritt einen Antikörper herzustellen, der, zum Beispiel, einige andere Moleküle, die diese Proteine einfangen, zum Beispiel die entsprechenden Antikörper und dann fangen diese Proteine sie auf dem Sensor ein. Aber auch, wenn es in demselben Feld einen anderen Antikörper gibt, markiert durch ein magnetisches Teilchen, dann wird jedes Protein auch mit diesem magnetischen Teilchen markiert sein. Das wird vom GMR-Sensor erkannt. Und mit der Empfindlichkeit des Sensors, geht man nach den Ergebnissen einiger Labors, wird es möglich, nur eine kleine Zahl Moleküle zu erkennen, zwei, drei oder vier, und dadurch eine sehr hohe Empfindlichkeit für sehr kleine Molekülkonzentrationen in dem Feld zu erreichen. Und was zum Beispiel dieser Kollege aus Stanford sagte, dass diese Methode eine frühzeitigere Krebserkennung möglich machen sollte, Erkennung dieser sehr kleinen Konzentration eines typischen Moleküls. Und ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist der, dass es möglich ist, in dasselbe kleine Gerät - diese Chips sind sehr klein und so nur ein paar Mikrometer - und dadurch eine große Anzahl, beinahe 1.000 nach den Aussagen einiger Firmen und einiger Labors, im Gerät unterzubringen, um nicht nur ein einziges Molekül zu erkennen, sondern um eine große Anzahl unterschiedlicher Moleküle mit demselben Gerät zu analysieren. Daher kann es durchaus sein, dass sich dies im nächsten Jahr zu einem wichtigen Gerät für die Medizin entwickelt. OK, nach dieser Einführung in die Grundlagenphysik der Spintronik und des GMR, und einigen Anwendungsmöglichkeiten des GMR, fahre ich mit der Geschichte fort, mache ich mit einem anderen wichtigen Schritt in der Entwicklung der Spintronik weiter, dem magnetischen Tunnelkontakt und dem TMR, dem Tunnelmagnetowiderstand dieser Tunnelkontakte. Ein magnetischer Tunnelkontakt ist also, wieder haben wir zwei magnetische Schichten getrennt durch eine Isolierschicht, und wenn diese Schicht sehr dünn ist, weniger als einen Nanometer, kann sie die Elektrode mithilfe eines Mechanismus durchdringen, was Tunnelleitfähigkeit ist. Tatsächlich kommt das durch die Tatsache, dass sich ein Elektron in der Quantenmechanik nicht an einem festen Ort aufhält, sondern sich als Wellenfunktion herum bewegt. Und wenn diese Wellenfunktionsbewegung sich auf die andere Seite der so genannten Tunnelbarriere ausbreiten kann, gibt es eine (von Null verschiedene) Wahrscheinlichkeit des Überwindens, das ist die Tunnelleitfähigkeit. Aber die letzte Eigenschaft ist die gleiche, wie eben auch beim GMR, dass es für diesen Tunnelkontakt und für den vertikalen Strom unterschiedliche Widerstände gibt bei paralleler und antiparalleler magnetischer Ausrichtung der beiden Elektroden. Das leicht wiederholbare Ergebnis für den Effekt erhielt man nach '95, hauptsächlich aus den Ergebnissen der Gruppe um Miyasaki in Japan und dieser magnetische Tunnelkontakt, dieser TMR hat verschiedene Anwendungen. Zuerst wird er jetzt in den neuesten Köpfen der Platte, der Festplatte eingesetzt, aber ich werde überwiegend auf eine andere Anwendung eingehen, die in Zukunft wichtig werden könnte, nämlich den magnetischen Arbeitsspeicher (MRAM). Tatsächlich muss ich sagen, dass man in den Computern heutzutage riesig viel Speicherplatz auf der Platte hat, der Nachteil der Platte ist jedoch, dass die Zugriffszeit auf die Daten sehr lang ist, man braucht eine Millisekunde, um an ein Bit auf der Platte zu kommen, und das ist für die Geschwindigkeit der Computer heutzutage zu langsam. Und daher lädt man, wenn man den Computer einschaltet, einen Teil des Speichers in den Arbeitsspeicher, Halbleiterspeicher, die eine sehr kurze Zugriffszeit haben, eine Nanosekunde typischerweise. Diese Arbeitsspeicher haben aber einen Nachteil: Sie sind flüchtig. Das heißt, man braucht ein wenig Strom, um den Speicher am Leben zu halten. Und außerdem muss man bei den meisten Speichern den Speicher bei jedem (Zyklus) aktualisieren. Daher wird Energie verbraucht, selbst wenn der Rechner gar nicht richtig arbeitet, und dazu muss man seine Arbeit auf die Festplatte zurückspeichern, wenn man den Rechner ausschaltet. Und so ist es die Idee mit den MRAMs, die Halbleiterzelle des RAM in einigen Geräten durch diese magnetischen, sehr kleinen magnetischen Tunnelkontakte zu ersetzen und diese All-in-One durch diese zwei Konfigurationen zu speichern. Die dritte Generation wurde vor vier Jahren auf den Markt gebracht von Motorola, Freescale Motorola, und hat nur wenig Einfluss auf die Technik des Computers, es gibt einige Nachteile im Vergleich zu Halbleiter-RAMs, außer für manche, für den Weltraum, für die Avionik, für die Rüstung. Tatsächlich kann man diese neuen Typen von MRAMs zum Beispiel im Airbus finden, in den Flugzeugen, denn sie haben eine interessante Eigenschaft für dieses Anwendungsgebiet: Sie sind unempfindlich gegen die kosmische Strahlung aus der Rede zuvor, die bei der herkömmlichen Elektronik mit Halbleitern großen Schaden anrichtet. Diese MRAMs werden also bereits ausgiebig zum Beispiel in Flugzeugen eingesetzt, aber viel mehr, allgemeiner für unsere Computer auf der Erde erwartet man das von der neuen Generation, die STT-RAM genannt wird, Spin-Transfer-Torque-RAM. Das verwendet, nutzt den jüngsten Fortschritt beim TMR, den sehr beeindruckenden Fortschritt, und auch, was ich bereits zu Anfang erklärt habe, das Beschreiben des Speichers durch Spinübertragung, durch Übertragung der Spins, rein elektronische Übertragung. So stammen also die Vorstöße, der Fortschritt beim TMR aus dem technologischen Fortschritt beim Herstellen reiner Einkristall-Mehrlagensysteme, also dem Tunnelkontakt, in dem die Atome wie in einem Kristall angeordnet sind, in einem Kristallgitter, zum Beispiel MgO, man sieht den Atomkern im MgO und in den Eisenelektroden. Und tatsächlich ergibt dieser Tunnelkontakt einen sehr großen TMR, das ist eine Erhöhung um den Faktor 10, abhängig von der Ausrichtung der Elektroden. Und in der Tat ist auch die Physik wundervoll. Ich kann schnell die Physik erklären, warum ist der Magnetowiderstand, der TMR tatsächlich so groß? Weil in der Tat theoretisch gezeigt werden kann, tatsächlich ist das Tunneln durch eine einzige Kristall(schicht), wie MgO, tatsächlich sehen Sie, dass die Schnittstelle von sehr hoher Qualität ist, abhängig von der Symmetrie der Wellenfunktion. Und daher ist MgO transparenter für eine Symmetrie, die Delta 1 genannt wird. Und dann die Leistung dieses Tunnelkontakts, denn die Elektrode wurde so ausgesucht, dass sie diese bestimmte Symmetrie nur für Spin-Up-Elektronen aufweist, nicht für Spin-Down. Also die Kombination dieser Auswahl der Symmetrie der Wellenfunktion mit was über die elektronische Struktur der Elektrode bekannt ist, kann zu diesem sehr hohen Magnetowiderstand führen. Wiederum kann man erkennen, dass der Fortschritt einer Kombination des theoretischen Weiterkommens beim Verständnis des Mechanismus, physikalischen Mechanismus des Tunnelns, und der Möglichkeiten entstammt, die die Nanotechnologie für das Bereitstellen von Tunnelkontakten mit dieser perfekten Schnittstelle und perfekten Anordnung der Atome bietet. Die nächste Generation wird also ebenfalls die Verbesserung durch den Spin Transfer Torque nutzen. Ich komme noch einmal auf den Spin Transfer Torque zurück. Und die Bälle stellen den Magnetkörper dar. Und was ist der Spin Transfer Torque? Er ist eine Übertragung des Spins, um den Spin zu manipulieren. Der Pfeil des, man kann hier zum Beispiel sehen, man kann Spin hinein senden und die Magnetisierung kehrt sich um. Unter anderen Bedingungen kann dies genutzt werden, um diese Art der Präzession und Trichtererzeugung bei Radiowellen zu induzieren. Und so der erste Verlauf, im ersten Verlauf kann das Experiment in dieser Art von Säule durchgeführt werden. Wir nannten es wie eine Säule, diese Schicht ist der Polarisator, der die spinpolarisierten Ladungsträger erzeugt, die in die freie Schicht injiziert werden. Und im einfachsten Fall kann diese Spinübertragung einfach dazu verwendet werden, die Magnetisierung umzukehren. Die Umkehrung ist ein experimentelles Ergebnis, kann zum Beispiel einfach durch die Änderung des Widerstands erkannt werden, den GMR dieses Dreilagensystems, magnetischen Dreilagensystems. Der Sprung liegt an, dieser Strom, am Wechsel zwischen parallel und antiparallel. Dieses Umschalten eines Magnetkörpers durch Spinübertragung wird in der nächsten Generation von SST-RAMs genutzt werden. In der ersten Generation erzielte man das Schreiben (der Information) durch Magnetfelder, kreisförmige Magnetfelder erzeugt durch Stromimpulse in Stromlinien. Das ist keine sehr lokale Adressierung. In der neuen Generation wird das Beschreiben einfach durch Spinübertragung erreicht, rein elektronisch, sehr lokale Adressierung des Speichers. Und nach den Ergebnissen verschiedener Firmen, es gibt eine Menge Firmen, die an diesen Projekten arbeiten, erfolgt dieses Schreiben nun sehr, mit einem sehr niedrigen Energieverbrauch, um zwei Größenordnungen gesenkt im Vergleich zum Strombedarf dieser Art Gerät. Und es gibt auch einige sehr vielversprechende neue Gerätetypen, zum Beispiel sehr vielversprechende neue Prozessoren, die diese Art Speicher verwenden. Zum Beispiel sehen Sie hier einige Typen von Prozessoren, herkömmlicherweise gibt es da Seite an Seite ein Halbleiterlogikbauelement, CMOS, CMOS ist das Wort für Halbleiterlogik und auf dieser Seite einen CMOS-Speicher bestehend aus Flashspeicher und SRAM-Speicher. Und im neuen, von mehreren Firmen entwickelten Gerät wird der CMOS-Speicher durch den STT-RAM ersetzt und oben auf die CMOS-Logik aufgesetzt. Und das verringert nicht nur die Größe, was in der Technik wichtig ist, sondern reduziert auch die Anzahl der Transistoren. Dafür wurde endlich der Energieverbrauch stark reduziert. Tatsächlich ist diese Art von Hybridstruktur, bei der geklonte herkömmliche Technologie oder Halbleiter mit der neuen Technologie, Spintronik in diesem Fall, kombiniert wird, meiner Meinung nach repräsentativ für das, was am Ende der CMOS-Evolution zu erwarten ist. Sie wissen, dass die Evolution der Halbleitertechnologie bisher durch das Mooresche Gesetz beschrieben wird, die ständige Abnahme der Größe, der Zunahme der Geschwindigkeit. Aber diese Evolution wird enden, aufgrund physikalischer Grenzen in 10 Jahren mehr oder weniger. Und so gibt es mehrere Kandidaten neben CMOS: Molekularelektronik, Spintronik. Aber dazwischen, glaube ich, wird es irgendeine Zwischengeneration dieser Art von kombinierter Hybridstruktur geben, die die Grenzen der Halbleitertechnologie ein wenig weiter hinausschiebt, indem man sie zum Beispiel mit Spintronik oder anderen Technologien mischt. Das ist also, diese neue Art von Prozessoren ist einfach repräsentativ für diese Evolution, diese Weiterentwicklung der Elektronik. Der andere Fall ist der Fall der stetigen Präzession und in diesem Fall kann man, wie Sie sehen, eine Präzession der Magnetisierung in dieser Schicht induzieren. Es gibt also eine periodische Änderung des Winkels zwischen der Magnetisierung der beiden Schichten, sodass es aufgrund des GMR-Effekts eine periodische Änderung des Widerstands des Dreilagensystems, dieses magnetischen Dreilagensystems gibt. Und aufgrund dieser periodischen Widerstandsänderung gibt es eine periodische Änderung der Spannung zwischen oben und unten. Also eine Erzeugung einer Wechselspannung, Erzeugung der Schwingung. Sie können ein Beispiel eines Spektrums dieser Schwingung im Mikrowellenbereich sehen, wie Sie sehen können. Und diese neue Art von Oszillator, den ich STO nenne, Spin-Transfer-Oszillator, ist sehr vielversprechend für eine Anwendung in der Telekommunikation. Einer der Vorteile ist die Einstellbarkeit, die Möglichkeit der leichten Einstellung der Frequenz durch Änderung des Spinübertragungsstroms. Und die Behändigkeit, die Möglichkeit, diese Frequenz sehr schnell einzustellen. Es gibt einige Schlüsselprobleme, man muss im Moment, bevor es wirklich eingesetzt werden kann, die Leistung erhöhen, (braucht) mehr spektrale Reinheit, kleinere Linienbreite der Emission und es wäre auch nötig zu synchronisieren, man müsste eine große Anzahl von STOs synchronisieren können. Und natürlich ist es mit diesem Tunnelkontakt möglich, die Leistung stark zu erhöhen, zwei Mikrowatt werden in etwa für die Anwendung benötigt. Aber dafür ist der Verarbeitungsmechanismus, Breite der Linie, der Emissionslinie im Mikrowellenfrequenzbereich zu groß. Aber glücklicherweise gibt es nun, man weiß um die Möglichkeit der Rotationsanregung, schnelle Anregung, die zu echten Hochleistungsoszillatoren führen kann. So ist es zum Beispiel möglich, in dieser Art von Struktur, durch Injektion von Strom in das Dreilagensystem, zuerst mit dem Feld, magnetisch erzeugt, diese Wirbelkonfiguration der Magnetisierung zu induzieren. Und die Spinübertragung induziert dann diese Rotation der Magnetisierung. Und das gibt sehr dünne ... und sehr hohe Leistung und zurzeit sehr gute spektrale Reinheit, sicherlich wird es bald Anwendungen dieser Art in der Funktionsweise unserer Telefone zum Beispiel geben. Nun, es gibt auch die Möglichkeit der Synchronisierung mehrerer Rotationen. Und ich schließe in zwei Minuten mit einigen erfreulichen Anmerkungen zu anderen aufkommenden Richtungen. Spinelektronik mit Halbleiter, sehr aktiv, soll das Potenzial von Elektronik und Spinelektronik verbinden. Ich lasse die Folie zu diesem Teil aus. Spinelektronik mit Kohlenstoff als Material, sehr, sehr aussichtsreich. Warum mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen und wahrscheinlich anderen Molekülen? Und warum? Weil diese kohlenstoffbasierten Materialien, Spinrelaxation darin, Umdrehen, das Umdrehen der Polymere beruht vor allem auf der Spin-Bahn-Wechselwirkung, die für Kohlenstoff sehr klein ist. All diese kohlenstoffbasierten Materialien haben daher eine sehr lange Spinrelaxationszeit. Und daher können die Spins, spinpolarisierter Strom, der irgendwo injiziert wird, kann sich über weite Strecken ausbreiten. Und in dieser Abhandlung zum Beispiel, haben wir gefunden, dass sich in Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein injizierter Spin ohne Umdrehung 50 Nanometer ausbreiten kann, was sehr lang ist. Und tatsächlich sind diese Ausbreitungen, Ausbreitungen über große Entfernungen reiner Spinströme.Was ist ein reiner Spinstrom? Er entspricht der Situation, bei der es einen Elektronenspin gibt, der in diese Richtung fließt, Spin-Down in die entgegengesetzte Richtung. Das kann leicht erreicht werden. Und diese reinen Spinströme haben diverse Vorteile, es gibt keinen Kurzschlussstrom, keine kapazitiven Effekte und es kann auch nachgewiesen werden, dass unter bestimmten Bedingungen der Energieverbrauch sehr gering sein kann. Und so gibt es verschiedene Zukunftsperspektiven, interessante Perspektiven mit diesen reinen Spinströmen. So kann man sich zum Beispiel verschiedene Konzepte vorstellen, um die Daten jetzt zu transportieren und zu verarbeiten, nicht mit Ladungsstrom wie bei der herkömmlichen Computertechnik, sondern mit reinem Spinstrom, was mit dem Spinstrom in Graphen oder in Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich wird, der über weite Strecken transportiert werden kann. So gibt es also für die "Jenseits-von-CMOS"-Perspektive sehr interessante Aussichten mit der Ausbreitung reiner Spinströme in kohlenstoffbasiertem Material. Die letzte interessante Richtung, es gibt auch noch viele andere Richtungen, Quantencomputer, neuromorphe Elektronik und Computer sind auch interessante Richtungen. Man weiß, dass einer der größten Vorteile der Vorgänge im Gehirn von Tieren auf der Plastizität der Synapsen beruht, die die Information von Neuron zu Neuron übertragen. Und natürlich gibt es in unseren Computern kein Äquivalent der Synapse, alle Komponenten sind statisch und entwickeln sich nicht weiter. Und das ist eine der Schwierigkeiten, einer der großen Nachteile heutiger Computer. Aber gut, warum also nicht versuchen, auch die synaptische Plastizität zu imitieren und sich Komponenten auszudenken, die sich auch entwickeln, übertragen mehr oder weniger als eine Funktion der Anzahl an Informationsbit, die sie übertragen werden. Und daher ist das eine interessante Richtung, Hewlett Packard hat zum Beispiel einige Komponenten vorgeschlagen, die sie Memristor nennen, die sich mit der Zeit weiter entwickeln und imitieren möchten und wir sind ebenfalls dabei, Arbeiten mit Spintronik in diese Richtung zu entwickeln. Und das ist gewiss eine neu entstehende Richtung in der Spintronik, die in Zukunft Bedeutung erlangen kann. Ich gehe nicht auf diese lange heiße Karte der Gesellschaft in Japan für Spintronik ein, sie ist zu lang, ich möchte nur zusammenfassend sagen, das Fazit ziehen, dass Spintronik sicherlich eine sehr junge Wissenschaft ist, ein kleines Baby, aber dieses Baby gedeiht ziemlich gut. Das kann man sehen. Und das ist nicht meine letzte Folie, meine letzte Folie ist einfach ein Dank an meine Mitarbeiter und ich werde ein Fazit ziehen. Eines der Vergnügen ist tatsächlich, sich an die Studenten in diesem Saal zu wenden. OK, ich bin immer wieder erstaunt über die Tatsache, dass die Wissenschaft neue und neue Fortschritte erzeugen kann. Ich war immer, ich bin immer noch verwundert, wie gut das funktioniert. Als ich ein Doktorand war, wirklich, OK, war ich froh festzustellen, dass einige Experimente funktionierten und zeigten, dass es in manchen Legierungen diese starke Spinabhängigkeit der Leitfähigkeit gab. OK, aber da gab es ein Ergebnis, ich stellte mir nicht vor, dass dieses einfache Ergebnis einige Türen öffnen könne, und dass am Ende in der Zukunft diese Art von Ergebnissen am Ursprung der Grundlage von Spintronik und der Grundlage von allem, was wir gesehen haben, stehen würde. Letztlich war es ein junger Student, der etwas entdeckt, das öffnet eine Tür, das ist eine Quelle weiteren Fortschritts usw. Und auch in der Entwicklung der Spintronik habe ich gesehen, dass es jedes Jahr einen anderen Fortschritt gibt, der zuvor nicht vorhergesehen werden konnte. Und was ich Ihnen als Studenten sagen möchte, ist, dass es am Ende eine Menge Dinge gibt, neue Entdeckungen zu machen sind. Diese Entdeckungen warten auf Sie und tatsächlich ist der Raum sehr groß und es funktioniert sicherlich leichter als Sie sich vorstellen können. Und schließlich möchte ich sagen, dass es Spaß macht, neue Ideen zu entwickeln und zu sehen, wie sich diese Ideen konkretisieren. Und andere Dinge, die ich an meinem Beruf mag, ist das Arbeiten im Team, ich bin sehr froh, in diesem Team zu arbeiten, diese Leute, die Sie im Bild sehen, und das war's, ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

Albert Fert (2010)

The World of Spintronics: Electrons, Spins, Computers and Telephones

Albert Fert (2010)

The World of Spintronics: Electrons, Spins, Computers and Telephones

Abstract

Spintronics1 is a new field of research which exploits the influence of the electron spin on electronic transport. It is well known for the giant magnetoresistance of the magnetic multilayers and its application to increase the capacity of the hard discs, but it has also revealed many other interesting effects. In my talk I will review some of the most promising directions of today, which will includes the study of the spin transfer phenomena, spintronics with semiconductors and molecular spintronics. In a spin transfer experiment, for example, one manipulates the orientation of a nanomagnet by transfusing spin angular momentum into it from a spin-polarized electronic current. This electronic spin transfusion can be used to switch the magnetization (with near applications to the writing of magnetic memories) or to generates oscillations in the radio-wave frequency range (with promising applications in telecommunications). Spintronics with semiconductors aims to some fusion between conventional electronics and spintronics, while molecular spintronics turns out to be a possible way to go “beyond CMOS”, that is beyond the silicon electronics of today.

[1] C. Chappert, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, The emergence of spintronics in data storage, Nature. Mat. 6, 813 (2007)

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