Albert  Fert (2012) - The Present and Future Impact of Spin Electronics on the Information and Communication Technologies

Spin Electronics - or Spintronics - can be defined as a new type of electronics harnessing the influence of the electron spin* on the electrical conduction. Its first impact on the Information and Communication Technologies came from the discovery of the Giant Magnetoresistance (GMR) in 1988

Good morning. So, I am very pleased to be with you. I am always pleased to be with students and young researchers. I like very much the master class study. It’s a very good idea of the Lindau meeting to introduce this master class also. So, I am a physicist of fundamental physics, physic of condensed matter. But as you see from, with the title of my lecture today, today my lecture will be more on the application of my field of research. And on the link, I want to emphasise the link and the way between fundamental research and applications and innovations. So, actually now we realise that my works have led to several applications. One which is well known is the application of the giant magnetoresistance, the GMR, to the hard disc. But also they have other applications and there are some applications that will turn out soon. And so what I want to explain, how it works. So how for example some fundamental idea... the idea of fundamental physics paves the way to a concrete device, to the development of a concrete device. I want to show how one goes for a dream, in my case a dream with atoms and spins and electrons dancing around, to a device that we use in our daily life. And I will take the example in spintronics, in my field of research of today which is spintronics. And spintronics is sometimes defined as a new type of electronics harnessing not only the charge of the electron as classical electronics but also the small magnet of the electrons, the spin, the spin that you can see dancing on the screen here, on both sides of spin electronics. And spin electronics is developing in several variations today. There are already applications; there will be application also at a longer term. And I show you an overview in my talk. I will begin by an introduction, in fact, on the fundamental of spintronics, the influence on the spin on the electrical condition in magnetic materials, on the disc of the GMR, of the application of the GMR. This introduction is at least for those of you that are not very familiar with this field. For me it’s a little boring to come back to the past. The discovery of the GMR was more than 20 years ago. But I will make this introduction anyhow. The second part of the talk will be on a very active field of research of today on the spin transfer phenomena and on important application, the MRAMs on the STT-RAMs for computer that will impact. There are already MRAMs but the STT-RAMs, ST-RAMs will impact more strongly the technology of the computer for several reasons, in particular, for reducing the energy consumption of the computer. So even this spintronics will have some contribution to the global energy issue of today. I will speak also about this very promising ST-oscillator for telecommunication. And as you know also the physicists or the researchers in general have not only projects that relatively... in relatively short term but some idea for longer terms. And so what I am working on today in my laboratory is also some projects in a longer term perspective. And so spintronics with graphene and carbon nanotubes which is also very promising for what is called the beyond CMOS. What can be done to go beyond the limit of conventional electronic with semi-conductors? And I will speak about another direction of research that we develop today... is neuromorphic device for bio-inspired computing. So some new type of device for computing more inspired by the operation in the brain of the animals. So I begin with this introduction. So I begin with by the end, by the example of the application of the GMR to our hard disc. So in the hard disc you have... the information is stored in this circle here. In this circle are some lines of magnetic material in which the information is coded by the magnetisation to the left or to the right, zero and one. And today in your hard disc the magnetic field generated by these magnetic bits are detected by a multilayer, by the GMR, GMR sensor that is by a multilayer. And what is a multilayer? This is a nanostructure, about 10 bites taking very similar triatomic layers for example of eigen-triatomic layer of chromium and so on. This is what has been made possible by the beginning of... by the development of the nanotechnology. And the effect that is exploited in this hard disc is GMR, giant magnetoresistance, which is the fact that in the presence of this magnetic field, even if it is very small, this film here becomes much more efficient for the conduction of electrical current. The magnetic field opens the way to an electrical current and so that this field can be detected very efficiently. And this efficient detection allows to make smaller bits and to increase strongly by 3 order magnitudes the capacity of the disc. So, as I say this is due to a spin effect in this magnetic material. And so now I come back to the physics, to the fundamentals of these effects. The fundamentals is the influence of the orientation of the spin of the electron on the electrical conduction in magnetic materials. For physicists you know a classical scheme for the energy bands in magnetic material with the splitting between the bands for the majority spin direction, spin up, and minority spin direction, spin down, different population when you fill up to the Fermi level. But for theoretical condition to be very simple, in fact, this lead to conduction by 2 channels and the contrast, spin up and spin down, and the contrast between the 2 channels can be very strong. Especially when one dopes the magnetic material, cobalt or iron, we only care with impurity having also a strongly spin dependent scattering cross section for the conduction electrons. For example you can see here the resistivity of the 2 channels, up or down, in use by 1% of this impurity in nickel, spin down. For spin up you can see for cobalt impurity. The resistivity of the channel is 20 times larger than the resistivity of the spin up. That means that when you put cobalt impurity you block this channel but this channel remains free. The conduction is only practically by one of the channels. And for chromium or vanadium impurity we are in the opposite situation. You block this channel, there is practically no current in this channel. And this result was my PhD thesis in ‘70s. And at this time we had also some idea anticipating the GMR, the giant magnetoresistance facts. At this time we worked also on this nickel by putting 2 impurities at the same time. If one put at the same time cobalt and chromium impurity, that means that this impurity will stop the current in both channels and the resistivity will become what we have observed at this time. On the contrary if we choose the impurity cobalt and iron, of course this we cannot go in the channel but this channel remains free and the resistivity remains... resistance remains low. This is more or less the concept of the GMR. In fact what is the concept of the GMR? Why not replacing the 2 types of impurity by 2 magnetic layers, put it on the way of the electrons so that in this, what you call antiparallel magnetic configuration, opposite magnetisations, one layer will stop the C electron in C channel and the other in the second channel? This corresponds to the situations with a large resistivity but then applying a magnetic field, not fabricating other alloys. That means that we are in the situations and there is free channels, shunting by the channel and resistivity becomes available. Of course this idea is relatively simple as many ideas in physics. But at this time if one knows if I knew the transport equation and I can anticipate that this was possible only if the distance between the 2 layers was very small, of the order of what is called the mean free path of the electron in a magnetic field. That is a few nanometres. And at this time it was impossible technically to fabricate very, very thin layers, only 1 or 2 nanometres. And so in fact, ok, this was a small result without application. But I put this idea on the ice and then maybe 15 years after it became possible with the development of the technology of the microelectronics. It became possible for example by technology called molecular epitaxy to prepare very thin layers and so it was possible really to prepare this layer like that triatomic layer of iron, triatomic layer of chromium. Why iron and chromium? Because in ’86 Peter Grünberg, my Nobel co-laureate, has found that when with very thin layer of chromium, triatomic layer typically, there was alignment and interaction, aligned interaction between the magnetisation of the 2 iron layers putting them in opposite direction. So this turned out to be another system to see if by switching the magnetisation from antiparallel to parallel there was an effect that can be predicted from the experiments that I present. And it worked and this led to the discovery of the GMR at Jülich by the team of Peter Grünberg and in my team. This is the typical results when you fill one line the magnetisation of the multilayers, then the electrons of one spin direction can propagate easily everywhere. At least for one spin direction and the giant magnetoresistance is this drop of the resistance, 80%. That I call giant magnetoresistance. So of course I will... The explanation I gave is too simple. The theory has been then developed in several directions but I don’t want to speak more about physics and I will proceed simply to the application. The main application as I told you is the application to the... The first application has been for magnetic sensor for the automotive industry. But the second application, 9 years after was for the hard disc. And the sensitivity of the GMR to detect the small magnetic field, loath to prepare smaller fields, smaller bits and to increase, say, by 3 orders of magnitude the capacity of the disc. And in addition it has been possible to put a lot of information in this very small disc of the size of a coin and so to extend the technology of the hard disc from the computer to mobile electronics, IPods, cameras etc. Those applications... Now, these devices are also used for biomedical applications, analysis of biomolecules but I haven’t the time to talk about all the applications of the GMR. And I proceed to the second part; spin transfer effect, RAMs, STT-RAMs, STOs. And in fact you will see that in this device one uses what is called magnetic tunnel junction. And I want to introduce first this magnetic tunnel junction. It is more or less like the GMR of the magnetic layer except that between 2 magnetic layers the layer between them is an insulating layer for example MgO, magnesium oxide. But anyhow even if the material is insulating, the electron can cross by what is called in quantum mechanics tunnelling which is due to the fact that wave function is not strictly localised at a single point and extend a little if the thickness is very small, typically 1 nanometre in the device we were working on. The electron can cross by tunnelling and the result is more or less like the GMR. It’s called TMR, tunnelling magnetoresistance. That is different resistance of this device for the parallel and antiparallel magnetisation. This is an example in a sample in which the reversal field of the 2 electrodes are different. So that means by sweeping the field there is a field range where there is reversal of one of the electrodes and not of the other and you see a very large effect this time. A factor now in the sample we have a factor of 10 between the 2 resistances. And so these tunnel junctions are in the application 1 or the application I want to present today is the application to the MRAMs. This TMR is already applied to the hard disc drives. Ok, so you know that your computer, you have a massive memory in the disc but the access time to this memory is relatively long, 1 millisecond to get 1 bit. And so when you switch off your computer you store a part of the memory of the disc into the RAMs, random access memory, semiconductor device, for which the access time is 1 nanosecond which causes the speed of the computers today. But one of the disadvantages of this semiconductor RAMs is that they are volatile. You need to always to put some electrical power to maintain the memory alive. And this is one of these... So you have to, when you stop your computer, you have to save your work on the disc again. And also this is one of the main sources of the energy consumption of the computer, to the overheating of the computer. And so the idea of the MRAM was to replace the cells of the RAM by this small tunnel junctions so we had 2 states of resistance. And in the first generation that has been put on the market 6 years ago by several companies. In fact the switching of the memory cells was obtained by magnetic field generated by current pairs in this line. And it is not a very local addressing and so this is one of the disadvantages in terms of capacity, of density of this first generation. But anyhow there is some application, many application for space and avionic technology, in fact, mainly because this new type of memory are insensitive, non-sensitive to the radiation of the atmosphere, of the height atmosphere. And so they are very useful on the... and so there are applications. But much more is expected from the new generation which is based on the spin transfer I was talking at the beginning, STT-RAMs. And so I want to introduce this physic of STT, of spin transfer that has been introduced mainly by Slonczewski and Berger almost 15 years ago. And this is a very simple idea, too. Suppose that with the first magnetic material we prepare spin polarised currents. That is the electrons, the polarisation, is obliquely orientated with respect to the magnetisation of the second layer. When these electrons which cross the second layer rapidly, inside the exchange, what is called the exchange interaction inside this material, will align the spin polarisation of the current along the magnetic axis. That means that by crossing the layer the current outflows this tranverse component of the spin polarisation. But the exchange interaction is spin conserving. You conserve the orbital, the spin with this cross spin to rotational momentum. And in fact what had been lost by the current has been given to the spin of the magnetic layer in a rotation or a torque, spin transfer torque acting on the magnetisation. It’s more or less like when you play boules, one boule collide another, stops and gives it velocity to the second boule. This is for the rotational velocity. And so this can be used in this sort of device. This layer polarises the current that will be used to move, to rotate the magnetisation of this free layer. One needs a very small device to obtain relatively high current density. And this is more or less... This is an example of switching by a current, switching between the lower resistivity state to the high resistivity state and back to the initial state by reversing the currents. And this will be used in an application which is called STT-RAMs. More or less the cell will be this sort of device that I have already shown and with memory corresponding to the parallel and antiparallel configuration and local addressing to switch the magnetisation between 0 and 1. And so this device, STT-RAM will appear soon, 1 year, 2 years, developed by so many companies today. And with an advantage: large density compared to the first generation and so a very low energy consumption. Not normally for electronics, there is no energy needed when the cell does not really work, simply to keep the memory alive. And in fact this is important. In fact if you consider in terms of energy I saw some number for France. And so according to people of the technology of the computer, the energy of a computer with this new type of RAMs will be reduced say by a factor of 2, almost a factor of 2. And so 3% of the energy is not neglectable. So this can be also some small contribution to the global problem of the energy in our society. And also there are other developments that can be... that already begin to be developed to a significant level. For example you know that there are for example for the logic circuits in the computer that are called... You are having some type of logic circuits, some type of processor. You have this sort of system with a logic with on the side a CMOS memory in the FPGA logic circuits. This is used now frequently in the computer. And so now there are many developments. There is even a book on this device that replacing the CMOS memory, mainly flash memory, by STT-RAM just embedded on the top of the CMOS logic. And apparently according to the announcement of the company this leads not only reduction of the size, of the dimension of the device but also a reduction of the number of transistors and an increase of the speed of the processor. And so this will secondly impact also the technology of the computer. In fact when one looks at this type of device and in the frame of the evolution of electronics you see that up to now there is more slow with continuous decrease of the dimensions and increase of the speed. And one knows that there will be some limit for this with the semiconductor, in 10 years say. One of the concerns of the electronic industry is what can be done beyond CMOS, beyond CMOS, beyond the semiconductor electronics with several candidates: molecular electronics, graphene, spintronics. And in between certainly there will be an intermediate generation and this type of device is just a representative of this intermediate generation, a hybrid structure with the additions of a new technology, one push a little more the limit of the semiconductors. Ok so now in fact there is another regime of spin transfer, always the same type of device, but in some condition is also possible not to revert the magnetisation but to put the magnetisation of the free layer in a state of steady precessions, steady precessions in the gigahertz frequency range. That means finally during this precession there is a periodic variation of the angle between the magnetisation of the bottom layer and top layer and so a periodic variation of the resistance of this trilayer of tunnel junctions and so what means emission, an AC signal in the microwave frequency range, an example of microwave power emitted by one of this device. And this leads to interesting applications in telecommunication. These devices are now called STOs, spin transfer oscillators, with several applications for telecommunication, ship to ship communication, rectification. And in fact without entering all the details, many advantages of this oscillator with respect to the oscillators of today related to the vibration of a crystal in general is the tunability, the possibility of tuning the frequency by changing the currents and using the oscillations. And this tunability and agility that can be, this tunability can be very fast, certainly is important for the new device where you need to cut to different channels. In fact I will say that on the way to the application the advances have been very fast in terms of increasing the power, improving the spectral purity, that is reducing the width of the emissions. And I show you some experiments. Increasing the power has been made possible by using this new type of tunnel junctions of very high performance. Typically this tunnel junction. We are working on these tunnel junctions in collaboration with a Japanese group in Tsukuba. And you see a tunnel junction with a magnesium oxide barrier and between there is a complex structure. I don’t explain why this because this tunnel junction now have very large TMR and a very large resistance too. Finally the variation of the EC signal between the 2 electrodes is very large and the power can be increased to a reasonable level for many applications. So there is a microwatt range for this very small device. They are sometimes less than 100 nanometre. In fact these conclusion were for consideration. But finally it appeared that the vehicle to reduce the width of the emissions – because there are so many modes of precession in energy – finally a good solution was found by exciting another type of spin excitations in this free layer of the magnetic junctions. The excitation, what the configuration will call a vortex, a vortex with a circular magnetisation around the dot with magnetisation in the centre pointing up or down. This is a polarity, to the polarity. And in fact what occurs when one introduce the spin transfer torque on this vortex, there is this rotation of the core of the vortex. And of course during this rotation, depending on the position of the vortex on the one side, on the other, the magnetisation is more in the direction in the main part of the dot or in the opposite direction. This again means periodic variation of the relative orientation of the magnetism in the 2 layers of the magnetic tunnel junction. Again a periodic variation of the vortex so emission of a microwave signal but now because these modes are more isolated from the other modes with relatively narrow emission line. Ok, so in fact the physics, there is... I don’t want to speak about physics today. Physics is very interesting; the dynamics of this vortex is a very interesting problem. But I have not the time to speak about this physics. And I will simply focus on the application. In fact for the device I have shown is not good for application because one needs an applied field to run the excitation, to make the excitation possible. Of course you don’t want to have an electron magnet in your mobile phone. And so now we are at the stage of optimising this device to keep the power, to keep the small linewidth but with a more particular design for application. We are developing with several companies. And finally this is a good result for example in this sort of complex device. You see one excite, one obtain the vertical polarisation of the spin polarisation with a perpendicular polarise. A multilayer that spontaneously have the magnetisation perpendicular to the layer to excite the vortex. And then to detect this horizontal variation of the magnetisation due to the excitation of the vortex, one detects the excitation with high performance tunnel junctions. So with this sort of complex structure there is no need for an applied field because the polarisation is spontaneously and the power is relatively large, 1 microvolt and the linewidth is also very small, less than in the linewidth, 1 gigahertz only. And so ok so we are now on the stage, we are on the final stage in the development of the application and we have also there works for example in this sort of device where we inject the currents through several holes. There are several vortices and it is possible to synchronise the rotation of the vortex to increase even more the power, the emitted power by I don’t want to explain. Ok, maybe I will skip this application also. I will proceed to my last point in spintronics, graphene. Graphene, you know, is a very promising material for many applications, display, touch screen. And for spintronics also graphene in commonality are very promising. For example I show you to demonstrate this potential, what can be done with carbon nanotubes between 2 magnetic electrodes. This is a more or less what exactly is the scheme I presented for the GMR. But you see now what was needed for the GMR with classical material was a distance of the order of 1 nanometre. The best result for cobalt chromium was for less than 1 nanometre, for carbon nanotubes or for graphene is possible with several microns. In fact it appears that in carbon nanotubes in graphene the spins can propagate with dimensions of up to 100 microns. And this opens the way to many applications of spin electronics. In fact this is due to the small spin of decoupling and also to the special dispersion curves of graphene and carbon nanotubes. And I show you one of the applications. In fact, I want to introduce what is a pure spin current. A pure spin current, when you inject, say graphene for example, is spin only current. What you have, there is a sort of spin up pressure here and spin under pressure. The spin up pressure is sending a spin up current interaction and attracting a spin up current in the other direction, what is called a pure spin current. And pure spin currents are very attractive, for example, for new type of, to code and to process the information. In fact there are several projects like this one, where a pure spin current is processed by several gates acting only on the spin, what is called spin only processing units. There are several types of this project that are now being published, that I haven’t had the time to describe: all spin logic with memory, universal logic gates including the version with graphene, quantum computing. And in all these devices one needs the propagation to long distance of the spin with a polarization to be able to put several gates to process the information. And this will be possible certainly with graphene, mainly with graphene. And so 2 minutes to describe one of our... 1 minute only, ok. Neuromorphic device. In fact you know the difference between the brain and your computer is that... Ok, your computer, the brain, is more massively powered than any computer with all many neurons, analogue and not digital. And also the main difference is the synaptic plasticity. That means that the transmission between 2 nodes evolves, the synapse evolves as a function of the information it transmit. And of course in our computer with transistors this does not exist. The transistor does not change as a function of the information it processes. And so there are several projects now of making devices that are neuromorphic, that is presenting synaptic plasticity. And we are for example working on this type of device, ferroelectric tunnel junction, And you can see, we can switch back and forth from one set on the other, there are many different. And with similar voltage it is possible so to increase progressively the resistance and this is what is called a memristive effect. A transmitter of information that evolves as a function of the number of bit it has transmitted. This goes through different state of the ferroelectric domain configuration. And for example you can see that between 1 and 0 you count the function of the number of bits, correspond to 300 bits. You can change progressively the transmission by this device. And this certainly is one of the directions in research which I like very much to day. And so to finish... Ok, you have seen that spintronics is growing, it’s a new science but growing rapidly. And so what I have summarised to be short, 1 minute, in the end, the last transparency is 2 things. All my co-workers in this unit to make the physics joint laboratory of the CNES Thales and University Paris and to my collaboration in many countries in the world. And I thank you for your attention. Applause.

Guten Morgen. Ich freue mich sehr, hier bei Ihnen zu sein. Ich freue mich immer, Studenten und junge Forscher zu treffen. Mir gefällt die Masterstudienklasse sehr gut. Es ist eine sehr gute Idee der Veranstalter in Lindau, diese Masterklasse auch hier einzuführen. Ich bin also ein Physiker der Grundlagenphysik, Physik der kondensierten Materie. Aber wie Sie dem Titel meines heutigen Vortrags entnehmen können, dreht sich mein Vortrag heute mehr um die Anwendung meines Forschungsgebiets in der Praxis. Und um die Verbindung, ich möchte die Verbindung und den Weg zwischen der Grundlagenforschung und Anwendungen und Innovationen hervorheben. Tatsächlich erkennen wir nun, dass meine Arbeit zu verschiedenen Anwendungen geführt hat. Eine, die sehr bekannt ist, ist die Anwendung des Riesenmagnetowiderstands, des GMR, bei der Festplatte. Aber er hat noch weitere Anwendungsmöglichkeiten und einige Anwendungen werden bald herauskommen. Und daher möchte ich erklären, wie es funktioniert. Wie zum Beispiel eine grundlegende Idee... die Idee der Grundlagenphysik ebnet den Weg zu einem konkreten Gerät, zur Entwicklung eines konkreten Geräts. Ich möchte zeigen, wie man von einem Traum, in meinem Fall ein Traum von Atomen und Spins und umher tanzenden Elektronen, zu einem Gerät gelangt, das man im Alltag verwendet. Und ich nehme ein Beispiel aus der Spintronik, aus meinem heutigen Forschungsfeld, das die Spintronik ist. Und Spintronik wird manchmal definiert als eine neue Art von Elektronik, die sich nicht nur der Ladung des Elektrons bedient wie die klassische Elektronik, sondern auch des kleinen Magneten des Elektrons, des Spin, des Spins, den Sie hier auf dem Bildschirm tanzen sehen können, zu beiden Seiten von Spin Electronics. Und die Spinelektronik entwickelt sich heute in mehrere Richtungen. Es gibt bereits Anwendungen. Es wird auch langfristig Anwendungen geben. Und ich gebe Ihnen in meinem Vortrag eine Übersicht. Tatsächlich fange ich mit einer Einführung in die Grundlagen der Spintronik an, dem Einfluss des Spins auf die elektrischen Bedingungen in magnetischem Material, auf die Platte des GMR, der Anwendung des GMR. Die Einführung ist für diejenigen unter Ihnen bestimmt, die mit diesem Feld nicht sehr vertraut sind. Für mich ist es ein bisschen langweilig, auf die Vergangenheit zurückzukommen. Die Entdeckung des GMR fand vor über 20 Jahren statt. Aber ich mache diese Einführung trotzdem. Der zweite Teil meines Vortrags wird sich mit einem heute sehr aktiven Feld der Erforschung der Spinübertragungsphänomene und mit wichtigen Anwendungen beschäftigen, den MRAMS oder den STT-RAMs für Computer, die Einfluss nehmen werden. Es gibt bereits MRAMs, aber die STT-RAMs, ST-RAMs werden aus diversen Gründen einen stärkeren Einfluss auf die Computertechnologie nehmen, insbesondere, durch ihre Senkung des Energieverbrauchs des Computers. So wird sogar diese Spintronik einen Beitrag zum globalen Energieproblem von heute leisten. Ich werde auch auf diesen sehr vielversprechenden ST-Oszillator für die Telekommunikation eingehen. Und wie Sie wissen, haben auch die Physiker oder die Forscher im Allgemeinen nicht nur Projekte, die relativ... relativ kurzfristig sind, sondern auch einige längerfristige Ideen. Und womit ich mich zurzeit in meinem Labor beschäftige, ist auch ein Projekt mit längerfristiger Perspektive. Und daher Spintronik mit Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die auch sehr vielversprechend für etwas sind, das "Jenseits-von-CMOS" genannt wird. Welche Möglichkeiten gibt es, um die Grenzen der herkömmlichen Elektronik mit Halbleitern zu überwinden? Und ich werde auch auf eine weitere Forschungsrichtung eingehen, die wir heute entwickeln... ist ein neuromorphes Gerät für bio-inspirierte Computer. Eine neue Art von Computergerät, das sich mehr an den Vorgängen im Gehirn von Tieren orientiert. Ich fange also mit dieser Einführung an. Ich fange mit dem Ende an, mit dem Beispiel der Anwendung des GMR bei unserer Festplatte. In der Festplatte gibt es... die Daten werden in diesem Kreis hier gespeichert. In diesem Kreis gibt es Linien magnetischen Materials, in denen die Information codiert ist durch die Magnetisierung nach links oder nach rechts, null und eins. Und heute werden in Ihrer Festplatte die durch diese magnetischen Bits erzeugten magnetischen Felder durch ein Mehrlagensystem erkannt, durch den GMR, GMR-Sensor, d.h. durch ein Mehrlagensystem. Und was ist ein Mehrlagensystem? Das ist eine Nanostruktur, etwa 10 Byte besetzen verschiedene Schichten, dreiatomige Schichten aus zum Beispiel Eisen, dreiatomige Schicht aus Chrom usw. Das wurde möglich gemacht durch den Beginn des... die Entwicklung der Nanotechnologie. Und der Effekt, der in dieser Festplatte genutzt wird, ist der GMR, der Riesenmagnetowiderstand, der auf der Tatsache beruht, dass in Anwesenheit dieses magnetischen Feldes, selbst wenn es sehr klein ist, diese Schicht hier den elektrischen Strom auf einmal sehr viel effizienter leitet. Das magnetische Feld öffnet einem elektrischen Strom den Weg und so, dass das Feld sehr effizient erkannt werden kann. Und diese effiziente Erkennung erlaubte es, kleinere Bits herzustellen und die Kapazität der Festplatte um eine Größenordnung von 3 stark zu verbessern. Wie gesagt liegt das an einem Spineffekt in diesem magnetischen Material. Und jetzt komme ich auf die Physik zurück, auf die Grundlagen dieser Effekte. Die Grundlage ist der Einfluss der Ausrichtung des Elektronenspins auf die elektrische Leitfähigkeit in magnetischem Material. Für Physiker, Sie wissen, es gibt ein klassisches Schema für die Energiebande in magnetischem Material mit der Trennung zwischen den Banden für die Richtung des Majoritäts-Spins, Spin-Up, und der Richtung des Minoritäts-Spins, Spin-Down, verschiedene Populationen, wenn man bis zum Fermi-Niveau auffüllt. Aber um die theoretischen Bedingungen sehr zu vereinfachen, dies führt zur Leitfähigkeit durch zwei Kanäle und der Unterschied, Spin-Up und Spin-Down... und der Unterschied zwischen den beiden Kanälen kann sehr groß sein. Insbesondere, wenn man das magnetische Material dotiert, Kobalt oder Eisen in Nickel, mit einer Verunreinigung, die ebenfalls einen stark spinabhängigen Streuquerschnitt für die Leitungselektronen aufweist. Man sieht hier zum Beispiel den Widerstand der beiden Kanäle, Up oder Down, wenn man ein Prozent dieser Verunreinigung in Nickel verwendet, Spin-Down. Für Spin-Up sieht man eine Kobaltverunreinigung. Der Widerstand des Kanals ist 20 Mal größer als der Widerstand des Spin-Up. Das bedeutet, wenn man mit Kobalt verunreinigt, blockiert man diesen Kanal, aber dieser Kanal bleibt frei. Die Leitfähigkeit ist praktisch nur durch einen der Kanäle gegeben. Und bei Verunreinigung durch Chrom oder Vanadium haben wir die umgekehrte Situation. Man blockiert diesen Kanal, es gibt praktisch keinen Strom durch diesen Kanal. Und dieses Ergebnis fand sich auch in meiner Doktorarbeit aus den 70ern. Und damals hatten wir auch so eine Ahnung, ahnten den GMR voraus, den Riesenmagnetowiderstands-Effekt. Zu dieser Zeit arbeiteten wir ebenfalls mit Nickel und verunreinigten mit 2 Stoffen gleichzeitig. Wenn man gleichzeitig mit Kobalt und Chrom verunreinigt, bedeutet das, dass diese Verunreinigung den Strom in beiden Kanälen blockiert und der Widerstand verhält sich so, wie wir es damals beobachtet haben. Wenn man im Gegenteil als Verunreinigung Kobalt und Eisen wählt, natürlich können wir nicht in den Kanal gehen, aber dieser Kanal bliebt frei und der Wiederstand bleibt... der Widerstand bleibt gering. Das entspricht mehr oder weniger dem Konzept des GMR. Was also ist das Konzept des GMR tatsächlich? Warum ersetzt man nicht die 2 Arten von Verunreinigung durch 2 magnetische Schichten, bringt diese in den Weg der Elektronen, sodass hier, was man antiparallele magnetische Konfiguration nennt, umgekehrte Magnetisierung, eine Schicht stoppt diese Elektronen in diesem Kanal und die andere in dem zweiten Kanal. Das entspricht der Situation mit einem großen Widerstand. Aber dann, durch Anlegen eines magnetischen Feldes, nicht durch Erzeugung anderer Legierungen, das heißt wir befinden uns in dieser Situation und es gibt freie Kanäle, Verschiebung durch den Kanal und der Widerstand wird gering. Natürlich ist die Idee wie viele Ideen in der Physik ziemlich einfach. Aber zu dieser Zeit, wenn man weiß..., wenn ich die Transportgleichung kennen würde und dann kann ich vorhersehen, dass dies nur möglich wäre, wenn der Abstand zwischen den beiden Schichten sehr gering wäre, in der Größenordnung von etwas, das freie Weglänge des Elektrons in einem magnetischen Feld genannt wird. Das sind ein paar Nanometer. Und damals war es technisch nicht möglich, sehr, sehr dünne Schichten von nur 1 oder 2 Nanometern herzustellen. Und so, OK, war das tatsächlich nur ein kleines Ergebnis ohne Anwendungsmöglichkeit. Aber ich legte diese Idee auf Eis und dann, vielleicht 15 Jahre später, wurde es mit der Entwicklung der Technologie in der Mikroelektronik möglich. Es gelang zum Beispiel mit einer Technik, die Molekularstrahlepitaxie genannt wird, sehr dünne Schichten zu präparieren, und so wurde es tatsächlich möglich, diese Schicht zu präparieren, wie diese dreiatomare Eisenschicht, dreiatomare Chromschicht. Warum Eisen und Chrom? Weil 1986 mein Nobelpreismitgewinner Peter Grünberg herausfand, dass bei einer sehr dünnen Schicht Chrom, dreiatomare Schicht normalerweise, es eine Ausrichtung und Wechselwirkung gab, ausgerichtete Wechselwirkung zwischen der Magnetisierung der beiden Eisenschichten, die sie in entgegengesetzte Richtungen ausrichtete. Das stellte sich als weiteres System heraus, um zu untersuchen, ob sich durch Umkehrung der Magnetisierung von antiparallel auf parallel ein Effekt erzielen lässt, der sich durch die von mir vorgestellten Experimente vorhersagen ließe. Und es funktionierte, und das führte zur Entdeckung des GMR in Jülich durch das Team von Peter Grünberg und durch mein Team. Dies ist das typische Ergebnis, wenn man durch Anlegen eines Feldes die Magnetisierung des Mehrlagensystems ausrichtet, dann können sich die Elektronen einer Spinrichtung leicht überall hin ausbreiten. Zumindest für eine Spinrichtung und der Riesenmagnetowiderstand(seffekt) ist der Abfall des Widerstands, 80 Prozent. Das nenne ich Riesenmagnetowiderstand. Und natürlich werde ich... Meine Erklärung war zu einfach. Die Theorie wurde seitdem in mehrere Richtungen weiter entwickelt, aber ich möchte nicht weiter über Physik sprechen und ich werde einfach mit der Anwendung fortfahren. Die Hauptanwendung ist, wie schon gesagt, die Anwendung auf die... Die erste Anwendung war im Bereich magnetischer Sensoren für die Automobilindustrie. Aber die zweite Anwendung, 9 Jahre später, war die für die Festplatte. Und die Empfindlichkeit des GMR für die Erkennung des kleinen Magnetfeldes, ließ den Einsatz kleinerer Felder, äh, kleinerer Bits zu und die Steigerung, um, sagen wir, 3 Größenordnungen der Kapazität der Festplatte. Und außerdem wurde es möglich, viele Daten auf dieser sehr kleinen Platte von der Größe einer Münze zu speichern, und so die Technologie der Festplatte des Computers auf mobile Elektronik, iPods, Kameras etc. zu übertragen. Diese Anwendungen... Nun, diese Geräte werden auch bei biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, Analyse von Biomolekülen, aber ich habe nicht die Zeit, über alle Anwendungsmöglichkeiten des GMR zu sprechen. Und so fahre ich mit dem zweiten Teil fort: Spinübertragungseffekt, MRAMs, STT-RAMs, STOs. Und tatsächlich werden Sie sehen, dass man in diesem Gerät etwas nutzt, das magnetischer Tunnelkontakt genannt wird. Und zuerst möchte ich diesen magnetischen Tunnelkontakt vorstellen. Er ist mehr oder weniger wie der GMR der magnetischen Schicht, außer dass zwischen zwei magnetischen Schichten, die Schicht dazwischen eine Isolierschicht ist, zum Beispiel MgO, Magnesiumoxid. Aber irgendwie, selbst wenn das Material isoliert, kann das Elektron hindurch gelangen, durch einen Effekt, der in der Quantenmechanik Tunneln genannt wird, der durch die Tatsache bedingt wird, dass die Wellenfunktion nicht streng auf einen einzelnen Punkt lokalisiert ist und sich ein wenig ausdehnt, wenn die (Schicht)Dicke sehr klein ist, typischerweise ein Nanometer in dem Gerät, an dem wir arbeiteten. Das Elektron kann durch Tunneln hindurch gelangen und das Ergebnis ist mehr oder weniger wie beim GMR. Es wird TMR genannt, magnetischer Tunnelwiderstand. Das bedeutet unterschiedlicher Widerstand des Geräts für die parallele und die antiparallele Magnetisierung. Dies ist ein Beispiel eines Musters, bei dem das Umkehrfeld der zwei Elektroden unterschiedlich ist. Das bedeutet, dass durch Umschaltung des Feldes ein Feldbereich auftritt, bei dem es eine Umkehrung einer der Elektroden gibt, aber nicht der anderen und diesmal sieht man einen sehr großen Effekt. Ein Faktor jetzt, im Beispiel haben wir einen Faktor von 10 zwischen den zwei Widerständen. Und so sind diese Tunnelkontakte alle in Anwendung, aber die Anwendung, auf die ich heute eingehen möchte, ist die Anwendung bei den MRAMs. Dieser TMR wird bereits bei Festplattenlaufwerken genutzt. OK, Sie wissen also, dass Ihr Computer, Sie verfügen über sehr viel Speicher auf der Platte, aber die Zugriffszeit auf diesen Speicher ist relativ lang, 1 Millisekunde, um ein Bit zu holen. Und daher speichert man, wenn man den Computer einschaltet, einen Teil des Speichers der Platte in den Arbeitsspeicher, Random Access Memory, Halbleiterspeicher, für den die Zugriffszeit eine Nanosekunde beträgt, was der Geschwindigkeit der heutigen Computer entspricht. Aber einer der Nachteile dieser Halbleiter-RAMs ist, dass sie flüchtig sind. Man muss immer ein wenig Strom einsetzen, um den Speicher am Leben zu halten. Und das ist einer dieser... Daher müssen Sie, wenn Sie Ihren Computer ausschalten, Ihre Arbeit wieder auf der Platte speichern. Und das ist einer der Hauptgründe für den Energieverbrauch des Computers, für die Überhitzung des Computers. Und die Idee des MRAM war es, die Zellen des RAM durch diese kleinen Tunnelkontakte zu ersetzen, damit wir 2 Widerstandszustände hätten. Und in der ersten Generation wurde das vor 6 Jahren von verschiedenen Firmen auf den Markt gebracht. Tatsächlich wurde das Umschalten der Speicherzellen durch ein Magnetfeld erreicht, das durch Stromimpulse entlang dieser Linie erzeugt wurde. Und das ist keine sehr lokale Adressierung und daher ist das einer der Nachteile in Bezug auf die Kapazität, auf die Dichte der ersten Generation. Aber irgendwie gibt es Anwendungsmöglichkeiten, viele Anwendungsmöglichkeiten für die Weltraumtechnologie und die Avionik, tatsächlich vor allem, weil diese neue Art von Speicher nicht empfindlich ist, unempfindlich gegen die Strahlung in der Atmosphäre, der oberen Atmosphäre. Und daher sind sie sehr nützlich in den... und so gibt es Anwendungsmöglichkeiten. Aber sehr viel mehr erwartet man von der neuen Generation, die auf der Spinübertragung basiert, von der ich am Anfang sprach, SST-RAMs. Und daher möchte ich sie Ihnen vorstellen diese Physik des SST, der Spinübertragung, die vor allem von Slonczewski und Berger vor beinahe 15 Jahren eingeführt wurde. Und auch das ist eine sehr einfache Idee. Angenommen, dass wir mit dem ersten magnetischen Material spinpolarisierte Ströme erzeugen. Das bedeutet die Elektronen, die Polarisation ist schräg ausgerichtet in Bezug auf die Magnetisierung der zweiten Schicht. Wenn diese Elektronen, die die zweite Schicht schnell durchqueren, innerhalb des Austauschs, was Austauschenergie innerhalb dieses Materials genannt wird, die Spinpolarisation des Stroms entlang der Magnetachse ausrichten. Das bedeutet, dass beim Durchqueren der Schicht der Strom aus dieser querlaufenden Komponente der Spinpolarisation abfließt. Aber die Austauschenergie ist spinerhaltend. Man erhält die Bahn, den Spin mit diesem Querspin zum Drehimpuls. Und tatsächlich wurde das, was dem Strom verloren ging, an den Spin der magnetischen Schicht übertragen in einer Drehung oder einem Drehmoment, Spinübertragungsdrehmoment (Spin Transfer Torque), das auf die Magnetisierung wirkt. Das ist mehr oder weniger vergleichbar damit, wenn man Boule spielt, eine Kugel prallt gegen eine andere, hält an und gibt die Geschwindigkeit an die zweite Kugel weiter. Dies ist für die Rotationsgeschwindigkeit. Und so kann dies bei dieser Art von Gerät eingesetzt werden. Diese Schicht polarisiert den Strom, der dazu verwendet wird, die Magnetisierung dieser freien Schicht zu bewegen, zu rotieren. Man braucht ein sehr kleines Gerät, um eine relativ hohe Stromdichte zu erhalten. Und das ist mehr oder weniger... Dies ist ein Beispiel für das Umschalten durch einen Strom, Umschalten zwischen dem Zustand des niedrigen Widerstands in den Zustand des hohen Widerstands und zurück in den Anfangszustand durch Umkehr der Ströme. Und das wird bei einer Anwendung genutzt, die SST-RAMs genannt wird. Bei der Zelle wird es sich mehr oder weniger um diese Art von Gerät handeln, die ich bereits gezeigt habe, und mit Speicher, der der parallelen und antiparallelen Konfiguration entspricht, und lokale Adressierung, um die Magnetisierung zwischen 0 und 1 hin und her zu schalten. Und daher wird dieses Gerät, SST-RAM, bald herauskommen, 1 oder 2 Jahre, von so vielen Firmen heute entwickelt. Und mit einem Vorteil: Hohe Dichte im Vergleich zur ersten Generation und daher ein sehr geringer Stromverbrauch. Nicht normalerweise für die Elektronik, es wird keine Energie benötigt, wenn die Zelle nicht wirklich arbeitet, einfach um den Speicher am Leben zu halten. Und das ist wirklich wichtig. Tatsächlich, wenn man es im Hinblick auf die Energie betrachtet, habe ich einige Zahlen für Frankreich gesehen. Sieben Prozent der elektrischen Energie ist für Computer-Server und diese Art von Maschinen. Und nach den Leuten der Computertechnologie wird der Energie(verbrauch) von Computern mit dieser neuen Art von RAM um, sagen wir einen Faktor von 2 reduziert, beinahe einem Faktor von 2. Und 3 Prozent der Energie ist nicht vernachlässigbar. Dies kann so also einen kleinen Beitrag zum globalen Energieproblem in unserer Gesellschaft leisten. Und es gibt andere Entwicklungen, die... mit deren Entwicklung man schon auf ein erhebliches Niveau gelangt ist. Sie wissen zum Beispiel, dass es da zum Beispiel für die Logikschaltungen im Computer, die man nennt... Man hat da irgendwelche Logikschaltungen, irgendeinen Prozessor. Man hat diese Art von System mit einer Logik, mit einem CMOS-Speicher neben dran in den FPGA-Logikschaltungen. Dies wird jetzt häufig im Computer verwendet. Und so gibt es jetzt viele Entwicklungen. Es gibt sogar ein Buch über dieses Gerät, über das Ersetzen des CMOS-Speichers, überwiegend Flashspeicher, durch STT-RAM, den man einfach auf die CMOS-Logik aufsetzt. Und anscheinend führt dies, nach Aussagen der Firma, nicht nur zu einer Reduzierung der Größe, der Abmessungen des Geräts, sondern auch zu einer Reduzierung der Anzahl der Transistoren und einer Steigerung der Geschwindigkeit des Prozessors. Und daher wird dies zweitens auch die Computertechnologie beeinflussen. Tatsächlich, wenn man sich diese Art von Gerät anschaut, und im Rahmen der Evolution der Elektronik, sieht man, dass es bisher das Mooresche Gesetz gab mit einer stetigen Abnahme der Abmessungen und Zunahme der Geschwindigkeit. Und man weiß, dass es dafür bei Halbleitern eine Grenze geben wird, in 10 Jahren etwa. Worüber sich die Elektronikbranche Gedanken macht, ist, was man jenseits von CMOS verwenden könnte, jenseits von CMOS, jenseits der Halbleiterelektronik. Es gibt mehrere Kandidaten: Molekularelektronik, Graphen, Spintronik. Und dazwischen wird es sicherlich eine Zwischengeneration geben und diese Art von Gerät ist einfach ein Vertreter dieser Zwischengeneration, eine Hybridstruktur mit den Zusätzen einer neuen Technologie, man schiebt die Grenzen der Halbleiter ein wenig weiter hinaus. OK, nun gibt es aber tatsächlich noch ein weiteres Modell der Spinübertragung, immer dieselbe Art von Gerät, aber unter bestimmten Bedingungen ist es auch möglich, die Magnetisierung nicht umzukehren, sondern die Magnetisierung der freien Schicht in einen Zustand stetiger Präzession zu versetzen, stetige Präzession im Gigahertz-Frequenzbereich. Das bedeutet letztendlich, dass es während dieser Präzession eine periodische Änderung des Winkels zwischen der Magnetisierung der unteren Schicht und der oberen Schicht gibt, und daher eine periodische Änderung des Widerstands dieses Dreilagensystems von Tunnelkontakten und daher bedeutet das Emission, ein Wechselstromsignal im Mikrowellenfrequenzbereich, ein Beispiel für Mikrowellenleistung, die von einem dieser Geräte ausgestrahlt wird. Und das führt zu interessanten Anwendungsmöglichkeiten in der Telekommunikation. Diese Geräte nennt man jetzt STOs, Spin-Transfer-Oszillatoren, mit mehreren Anwendungsmöglichkeiten für die Telekommunikation, Chip-zu-Chip-Kommunikation, Rektifikation. Und ohne auf all die Details näher einzugehen, liegt einer der Vorteile dieses Oszillators gegenüber den heutigen Oszillatoren, die allgemein mit der Vibration eines Kristalls in Zusammenhang stehen, tatsächlich in der Einstellbarkeit, der Möglichkeit, die Frequenz durch Änderung der Ströme und Verwendung der Schwingungen einzustellen. Und diese Einstellbarkeit und Behändigkeit, die..., diese Einstellbarkeit kann sehr schnell sein, sicherlich wichtig für das neue Gerät, bei dem man zu verschiedenen Kanälen springen muss. Und ich muss wirklich sagen, dass auf dem Weg zur Anwendung die Fortschritte sehr schnell erfolgten in Bezug auf die Steigerung der Leistung, Verbesserung der spektralen Reinheit, das heißt der Reduzierung der Breite der Emissionen. Und ich zeige Ihnen einige Experimente. Eine Erhöhung der Leistung wurde durch Verwendung dieser neuen Art von Tunnelkontakten mit sehr hoher Leistungsfähigkeit möglich. Typischerweise dieser Tunnelkontakt, wir arbeiten an diesen Tunnelkontakten zusammen mit einer japanischen Gruppe aus Tsukuba. Man sieht einen Tunnelkontakt mit einer Magnesiumoxidbarriere und dazwischen befindet sich eine komplexe Struktur. Ich erkläre nicht, warum... diese, weil dieser Tunnelkontakt jetzt einen sehr großen TMR und auch einen sehr großen Widerstand hat. Schließlich ist die Änderung des EC-Signals zwischen den zwei Elektroden sehr groß und die Leistung kann für viele Anwendungen auf ein vernünftiges Niveau gesteigert werden. Es gibt also einen Mikrowattbereich für diese sehr kleine Vorrichtung. Sie sind manchmal weniger als 100 Nanometer. Tatsächlich standen diese Schlussfolgerungen zur Überlegung. Aber schließlich stellte sich heraus, dass das Mittel zur Reduzierung der Breite der Emission - weil es so viele Modi der Präzession in der Energie gibt - schließlich fand man eine gute Lösung in der Anregung einer anderen Art von Spinanregung in dieser freien Schicht magnetischer Kontakte. Die Anregung, die Konfiguration, die wir einen Wirbel nennen, ein Wirbel mit einer kreisförmigen Magnetisierung um den Punkt herum, wobei die Magnetisierung im Mittelpunkt nach oben oder unten zeigt. Das ist eine Polarität, ergibt Polarität. Und was wirklich passiert, wenn man den Spin-Transfer-Torque in diesen Wirbel einführt, dann gibt es eine Rotation des Kerns des Wirbels. Und natürlich weist während dieser Rotation, abhängig von der Position des Wirbels mehr auf der einen Seite, mehr auf der anderen, die Magnetisierung mehr in Richtung des Hauptteils des Punkts oder in die entgegengesetzte Richtung. Das wiederum bedeutet eine periodische Änderung der relativen Ausrichtung des Magnetismus in den zwei Schichten des magnetischen Tunnelkontakts. Wiederum eine periodische Änderung der Spannung, also Emission eines Mikrowellensignals, jetzt aber, weil diese Modi stärker von den anderen Modi isoliert sind, mit relativ schmaler Emissionslinie. OK, also die Physik, da gibt es... Ich möchte heute nicht über die Physik sprechen. Die Physik ist sehr interessant, die Dynamik dieses Wirbels ist ein sehr interessantes Problem. Aber ich habe keine Zeit, auf diese Physik einzugehen. Und ich konzentriere mich einfach auf die Anwendung. Tatsächlich ist das Gerät, das ich gezeigt habe, nicht gut für die Anwendung, denn man braucht ein angelegtes Feld, um die Anregung zu erreichen, um die Anregung möglich zu machen. Natürlich möchten Sie keinen Elektronenmagneten in Ihrem Mobiltelefon haben. Und so befinden wir uns jetzt im Stadium der Optimierung dieses Geräts, um die Leistung zu erhalten, die schmale Linienbreite zu erhalten, aber mit einem mehr auf die Anwendung gerichteten Design. Wir entwickeln mit mehreren Firmen. Und schließlich ist das ein gutes Ergebnis, zum Beispiel in dieser Art von komplexem Gerät. Sie sehen, man regt an, man erhält die vertikale Polarisation der Spinpolarisierung mit einer senkrechten Polarisation, einem Mehrlagensystem, das die Magnetisierung spontan senkrecht zur Schicht orientiert, um den Wirbel anzuregen. Und dann, zur Erkennung dieser horizontalen Änderung der Magnetisierung aufgrund der Anregung des Wirbels, erkennt man die Anregung mit Hochleistungstunnelkontakten. Mit dieser Art komplexer Struktur braucht man also kein angelegtes Feld, weil die Polarisierung spontan erfolgt, und die Leistung ist relativ hoch, ein Mikrovolt, und die Linienbreite ist auch sehr klein, weniger als... die Linienbreite beträgt nur ein Gigahertz. Und so, OK, wir befinden uns nun in der Phase, wir befinden uns in der letzten Phase in Richtung Anwendung und wir haben auch... es funktioniert zum Beispiel bei dieser Art von Gerät, bei dem wir die Ströme durch mehrere Löcher injizieren. Es gibt mehrere Wirbel und es ist möglich, die Rotation der Wirbel zu synchronisieren, um die Leistung noch mehr zu steigern, die ausgesandte Leistung, aber darauf möchte ich nicht eingehen. OK, vielleicht überspringe ich auch diese Anwendung. Ich komme jetzt zu meinem letzten Punkt: Spintronik mit Graphen. Graphen ist, wie Sie wissen, ein sehr vielversprechendes Material für viele Anwendungen, Display, Touchscreen. Und auch für die Spintronik ist Graphen im Allgemeinen sehr vielversprechend. Ich zeige Ihnen zum Beispiel, um die Möglichkeiten zu demonstrieren, was man mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen zwischen zwei magnetischen Elektroden machen kann. Das entspricht mehr oder weniger genau dem Schema, das ich für den GMR vorgestellt habe. Aber Sie sehen nun, was man für den GMR mit klassischem Material brauchte, war ein Abstand in der Größenordnung von einem Nanometer. Das beste Ergebnis erzielte man für Kobalt/Chrom bei unter einem Nanometer, mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder mit Graphen sind mehrere Mikrometer möglich. Tatsächlich sieht es so aus, als könne sich in Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder in Graphen der Spin über Entfernungen von bis zu 100 Mikrometer ausbreiten. Und das ebnet den Weg für viele Anwendungen der Spinelektronik. Tatsächlich liegt das an der kleinen Spin-Bahn-Wechselwirkung und auch an den speziellen Dispersionskurven von Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Und ich zeige Ihnen eine der Anwendungen. Tatsächlich möchte ich darauf eingehen, was ein reiner Spinstrom ist. Ein reiner Spinstrom, wenn man, sagen wir, zum Beispiel Graphen injiziert, ist ein spinpolarisierter Strom. Man hat, es gibt eine Art Spin-Up-Druck hier und Spin-Up-Unterdruck. Der Spin-Up-Druck sendet einen Spin-Up-Strom in diese Richtung und erregt einen Spin-Down-Strom in die andere Richtung, was man reinen Spinstrom nennt. Und reine Spinströme sind sehr attraktiv, zum Beispiel für neue Arten von..., zum Codieren und zum Verarbeiten von Information. Tatsächlich gibt es mehrere Projekte wie dieses, bei denen ein reiner Spinstrom durch mehrere Gatter verarbeitet wird, die nur auf den Spin wirken, die man Spin-Only-Processing-Units (nur spinverarbeitende Einheiten) nennt. Es gibt mehrere Arten dieses Projekts, die jetzt veröffentlicht werden, die ich aus Zeitgründen nicht beschreiben konnte: All-Spin-Logik mit Speicher, universelle Logik-Gatter einschließlich der Version mit Graphen, Quantencomputer. Und bei all diesen Geräten braucht man die Spinausbreitung über weite Strecken mit einer Polarisation, um mehrere Gatter zur Verarbeitung der Information einbringen zu können. Und dies wird mit Graphen sicherlich möglich sein, überwiegend mit Graphen. Und so, 2 Minuten, um eine von vier zu beschreiben... Nur eine Minute, OK. Neuromorphe Geräte. Also, Sie wissen, dass der Unterschied zwischen dem Gehirn und Ihrem Computer darin besteht, dass... OK, Ihr Computer, das Gehirn, verfügt über wesentlich mehr Leistung als jeder Computer mit all den vielen Neuronen, analog und nicht digital. Und der Hauptunterschied besteht auch in der synaptischen Plastizität. Das bedeutet, dass sich die Übertragung zwischen zwei Knoten weiter entwickelt, die Synapse entwickelt sich weiter als Funktion der Information, die sie überträgt. Und natürlich existiert das in unseren Computern mit den Transistoren nicht. Der Transistor verändert sich nicht als eine Funktion der Information, die er verarbeitet. Und daher gibt es jetzt mehrere Projekte zur Herstellung von Geräten, die neuromorph sind, d.h. die synaptische Plastizität aufweisen. Und wir arbeiten bspw. an dieser Art von Gerät, ferroelektrische Tunnelkontakte, 2 Widerstandszustände, die sich stark unterscheiden, abhängig von der Richtung der elektrischen Polarisation. Und man sieht, wir können von einer Einstellung zur anderen hin- und herschalten, 2 Größenordnungen Unterschied. Und mit ähnlicher Spannung ist es so möglich, den Widerstand stufenweise zu erhöhen und das wird memristiver Effekt genannt. Ein Informationsüberträger, der sich als Funktion der Anzahl der Bits, die er übertragen hat, weiter entwickelt. Dies geht durch unterschiedliche Zustände der ferroelektrischen Domänenkonfiguation. Und zum Beispiel sieht man, dass zwischen 1 und 0, man zählt die Funktion der Anzahl der Bits, dies entspricht 300 Bits. Man kann die Übertragung durch dieses Gerät stufenweise ändern. Und dies ist sicherlich eine der Forschungsrichtungen, die ich bis heute sehr gerne mag. Und zum Abschluss... OK, Sie haben gesehen, dass die Spintronik wächst, sie ist eine neue Wissenschaft, aber sie wächst schnell. Und daher, was ich zusammengefasst habe, um mich kurz zu halten, eine Minute am Ende. Die letzte Folie ist der Dank an alle meine Mitarbeiter in dieser Einheit zur Erforschung der Physik, das gemeinsame Labor von CNES Thales und der Universität von Paris und an meine Mitarbeiter in vielen Ländern der Welt. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

Albert Fert (2012)

The Present and Future Impact of Spin Electronics on the Information and Communication Technologies

Albert Fert (2012)

The Present and Future Impact of Spin Electronics on the Information and Communication Technologies

Abstract

Spin Electronics - or Spintronics - can be defined as a new type of electronics harnessing the influence of the electron spin* on the electrical conduction. Its first impact on the Information and Communication Technologies came from the discovery of the Giant Magnetoresistance (GMR) in 1988. Rapidly applied to the read heads of the hard disc drives, the GMR led to a very large increase of the capacity of the discs. Spintronics became an active field of research which revealed other spin-induced phenomena and brought in other applications. An example of recent application is the use of the spin dependent tunnelling in the non-volatile random access memories called Magnetic-RAM. The Magnetic-RAMs of the first generation are mainly used in the avionic and space technologies for their insensitivity to radiations. The Spin-Tranfer-RAMs (ST-RAMs) developed today are expected to reduce greatly the energy consumption of the computers and to impact significantly their technology. The Spin Transfer Oscillators (STOs) are also promising for telecommunications.
At longer term, spintronics is foreseen in the electronic industry roadmap as one of the main candidates to go beyond the limits of conventional electronics in the so-called “beyond CMOS” perspective. For example, novel concepts for logic circuits are based on the transport and processing of “spin information” coded by pure spin currents. Graphene, a single layer of carbon atoms, is though to be the ideal material for this new type of logic devices with groundbreaking advantages in terms of speed and ultra-low energy consumption.
The lecture will present in parallel the physical concepts of the spintronic phenomena and their use in technology.

* The spin can be shortly described as the small magnet carried by the electrons.

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