Spin Electronics

تاریخ تحقیقات علمی و توسعه فناوری مملو از نمونه‌هایی از پیشرفت‌هایی است که مرزهای دانش را ارتقا داده‌اند، اما به ندرت رویدادهایی را ثبت می‌کند که تغییرات پارادایم در حوزه‌های گسترده تعقیب فکری را تشکیل می‌دهند. با این حال، یک استثنای قابل توجه، مربوط به الکترونیک اسپین است (که اسپینترونیک، مگنتوالکترونیک یا مگنترونیک نیز نامیده می شود)، که در آن اطلاعات توسط اسپین الکترون علاوه بر یا به جای بار الکترون حمل می شود. اکنون در جوامع علمی و مهندسی به خوبی ثابت شده است که قانون مور، که از دهه 1970 یک پیش بینی کننده عالی برای چگالی مدار مجتمع و عملکرد رایانه بوده است، اکنون با چالش های بزرگی روبرو است زیرا مقیاس دستگاه های الکترونیکی به سطحی کاهش یافته است که اثرات کوانتومی به آن تبدیل شده است. عوامل مهم در عملکرد دستگاه اسپین الکترون یکی از این اثرات است که فرصتی را برای ادامه دستاوردهای پیش‌بینی‌شده توسط قانون مور، با بهره‌گیری از تلاقی مغناطیسی و الکترونیک نیمه‌رسانا در رشته جدید الکترونیک اسپین ارائه می‌دهد. از دیدگاه اساسی، انتقال قطبش اسپین در یک ماده زمانی اتفاق می‌افتد که عدم تعادل جمعیت‌های اسپین در انرژی فرمی وجود داشته باشد. در فلزات فرومغناطیسی، این عدم تعادل ناشی از تغییر حالت‌های انرژی موجود برای الکترون‌های اسپین به بالا و پایین‌رونده است. در کاربردهای عملی، یک فلز فرومغناطیسی ممکن است به عنوان منبع الکترونیک قطبش اسپین برای تزریق به یک نیمه هادی، یک ابررسانا یا یک فلز معمولی، یا برای تونل زدن از طریق یک مانع عایق استفاده شود.

The history of scientific research and technological development is replete with examples of breakthroughs that have advanced the frontiers of knowledge, but seldom does it record events that constitute paradigm shifts in broad areas of intellectual pursuit. One notable exception, however, is that of spin electronics (also called spintronics, magnetoelectronics or magnetronics), wherein information is carried by electron spin in addition to, or in place of, electron charge. It is now well established in scientific and engineering communities that Moore's Law, having been an excellent predictor of integrated circuit density and computer performance since the 1970s, now faces great challenges as the scale of electronic devices has been reduced to the level where quantum effects become significant factors in device operation. Electron spin is one such effect that offers the opportunity to continue the gains predicted by Moore's Law, by taking advantage of the confluence of magnetics and semiconductor electronics in the newly emerging discipline of spin electronics. From a fundamental viewpoine, spin-polarization transport in a material occurs when there is an imbalance of spin populations at the Fermi energy. In ferromagnetic metals this imbalance results from a shift in the energy states available to spin-up and spin-down electrons. In practical applications, a ferromagnetic metal may be used as a source of spin-polarized electronics to be injected into a semiconductor, a superconductor or a normal metal, or to tunnel through an insulating barrier.