स्पिनट्रॉनिक्स

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स्पिनट्रॉनिक्स (एक पोर्टमैंटो जिसका अर्थ है स्पिन ट्रांसपोर्ट इलेक्ट्रॉनिक्स[1][2][3]), जिसे स्पिन इलेक्ट्रॉनिक्स के रूप में भी जाना जाता है, ठोस अवस्था उपकरण में अपने मौलिक इलेक्ट्रॉनिक आवेश के अलावा, इलेक्ट्रॉन के आंतरिक चक्रण (स्पिन) और उससे जुड़े चुंबकीय क्षण का अध्ययन है।[4] स्पिंट्रोनिक्स का क्षेत्र धातु प्रणालियों में चक्रण-आवेश युग्मन से संबंधित है। विसंवाहक (इंसुलेटर) में समान प्रभाव मल्टीफ़ेरिक्स के क्षेत्र में आते हैं।

स्पिनट्रॉनिक्स मौलिक रूप से पारंपरिक इलेक्ट्रानिक्स से भिन्न होता है, आवेश अवस्था के अतिरिक्त, इलेक्ट्रॉन चक्रण का उपयोग डेटा भंडारण और स्थानांतरण की दक्षता में प्रभाव के साथ और निकाय की स्वातंत्र्य कोटि के रूप किया जाता है। स्पिंट्रोनिक प्रणालियों को प्रायः तनु चुंबकीय अर्धचालकों (डीएमएस) और हेस्लर मिश्र धातुओं में महसूस किया जाता है और यह क्वांटम कंप्यूटिंग और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के क्षेत्र में विशेष रुचि रखते हैं।

इतिहास

स्पिनट्रॉनिक्स 1980 के दशक में ठोस-अवस्था उपकरणों में चक्रण-निर्भर इलेक्ट्रॉन परिवहन घटनाओं से संबंधित खोजों से उभरा था। इसमें जॉनसन और सिल्स्बी द्वारा लौहचुम्बकीय (फेरोमैग्नेटिक) धातु से सामान्य धातु में चक्रण -ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉन अंतःक्षेपण का अवलोकन (1985)[5] और अल्बर्ट. फर्ट. एट. अल[6] और पीटर. ग्रुनबर्ग. एट. अल (1988) द्वारा स्वतंत्र रूप से विशाल चुंबकीय प्रतिरोध की खोज शामिल है।[7] स्पिंट्रोनिक्स की उत्पत्ति का पता मेसर्वे और टेड्रो द्वारा प्रारम्भ किए गए फेरोमैग्नेट/सुपरकंडक्टर टनलिंग प्रयोगों और 1970 के दशक में जूलियर द्वारा चुंबकीय टनल जंक्शनों पर प्रारंभिक प्रयोगों से लगाया जा सकता है।[8] स्पिनट्रॉनिक्स के लिए अर्धचालकों का उपयोग 1990[9] में दत्त और दास द्वारा चक्रण क्षेत्र प्रभावी ट्रांजिस्टर के सैद्धांतिक प्रस्ताव और 1960[10] में रश्बा द्वारा विद्युत द्विध्रुवीय चक्रण अनुनाद के साथ प्रारंभ हुआ था।

सिद्धांत

इलेक्ट्रॉन का प्रचक्रण एक आंतरिक कोणीय संवेग है जो अपनी कक्षीय गति के कारण कोणीय संवेग से अलग होता है। एक मनमाने अक्ष के साथ इलेक्ट्रॉन के प्रचक्रण के प्रक्षेपण का परिमाण है। जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन चक्रण-सांख्यिकी प्रमेय द्वारा एक फर्मियन के रूप में कार्य करता है। कक्षीय कोणीय गति की तरह,चक्रण में एक संबद्ध चुंबकीय क्षण होता है, जिसका परिमाण इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

एक ठोस में, कई इलेक्ट्रॉनों का चक्रण पदार्थ के चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक गुणों को प्रभावित करने के लिए एक साथ कार्य कर सकते हैं, उदाहरण के लिए इसे एक फेरोमैग्नेटिक के रूप स्थायी चुंबकीय क्षण के साथ समाप्त करना हैं।

कई पदार्थों में,इलेक्ट्रॉन चक्रण समान रूप से ऊपर और नीचे दोनों अवस्थाओं में मौजूद होते हैं, और कोई भी परिवहन गुण चक्रण पर निर्भर नहीं होते हैं। एक स्पिनट्रॉनिक उपकण में, इलेक्ट्रॉनों के चक्रण-ध्रुवीकृत समष्‍टि के उत्पादन या परिचालन की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों की अधिकता या चक्रण में कमी होती है। किसी भी चक्रण निर्भर गुण X का ध्रुवीकरण इस प्रकार लिखा जा सकता है:

चक्रण के ऊपर और नीचे होने के बीच संतुलन ऊर्जा विभाजन बनाकर एक शुद्ध चक्रण ध्रुवीकरण प्राप्त किया जा सकता है। विधियों में पदार्थ को एक बड़े चुंबकीय क्षेत्र (ज़ीमन प्रभाव) में रखना और फेरोमैग्नेटिक में मौजूद विनिमय ऊर्जा या प्रणाली को संतुलन से बाहर करना सम्मिलित है। इस तरह की गैर-संतुलन समष्‍टि को बनाए रखने की अवधि को चक्रण जीवनकाल τ के रूप में जाना जाता है।

एक विसरित सुचालक में, एक चक्रण प्रसार लंबाई को उस दूरी के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिस पर एक गैर-संतुलन चक्रण समष्‍टि प्रसार सकती है। धातुओं में चालन इलेक्ट्रॉनों का चक्रण जीवनकाल अपेक्षाकृत कम होता है (आमतौर पर 1 नैनोसेकंड से कम)। एक महत्वपूर्ण अनुसंधान क्षेत्र इस जीवनकाल को तकनीकी रूप से प्रासंगिक समय-सीमा तक विस्तारित करने के लिए समर्पित है।

एक ऊपरी चक्रण, निचले चक्रण, और परिणामी चक्रण ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉनों की समष्‍टि को दर्शाने वाला एक प्लॉट। चक्रण अतःक्षेपित्र के अंदर, ध्रुवीकरण स्थिर होता है, जबकि अतःक्षेपित्र के बाहर, ध्रुवीकरण तेजी से शून्य हो जाता है क्योंकि ऊपरी चक्रण और निम्न समष्‍टि संतुलन में जाती है।

एक चक्रण ध्रुवीकृत समष्‍टि के लिए क्षय के तंत्र को बड़े पैमाने पर चक्रण-उत्क्षेप फैलाव और चक्रण विचरण के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।चक्रण-उत्क्षेप फैलाव ठोस के अंदर एक प्रक्रिया है जो चक्रण को संरक्षित नहीं करती है, और इसलिए एक आगामी चक्रण ऊपरी अवस्था को बहिर्गामी चक्रण निचली अवस्था में बदल सकता है। चक्रण विचरण वह प्रक्रिया है जिसमें एक सामान्य चक्रण अवस्था वाले इलेक्ट्रॉनों की समष्‍टि समय के साथ इलेक्ट्रॉन चक्रण अग्रगमन की विभिन्न दरों के कारण कम ध्रुवीकृत हो जाती है। सीमित संरचनाओं में, चक्रण विचरण को दबाया जा सकता है, जिससे कम तापमान पर अर्धचालक क्वांटम डॉट्स में मिलीसेकंड के जीवनकाल का चक्रण किया जा सकता है।

अतिचालक स्पिंट्रोनिक्स में केंद्रीय प्रभावों को बढ़ा सकते हैं जैसे चुंबकीय प्रतिरोध प्रभाव, चक्रण जीवनकाल और अपव्यय रहित चक्रण-धाराएं।[11][12] किसी धातु में चक्रण-ध्रुवीकृत धारा उत्पन्न करने की सबसे सरल विधि एक फेरोमैग्नेटिक पदार्थ के माध्यम से धारा प्रवाहित करना है। इस आशय के सबसे सामान्य अनुप्रयोगों में विशाल चुंबकत्व (जीएमआर) उपकरण शामिल हैं। एक विशिष्ट जीएमआर उपकरण में फेरोमैग्नेटिक पदार्थ की कम से कम दो परतें होती हैं जिन्हें अन्तरक परत द्वारा अलग किया जाता है। जब फेरोमैग्नेटिक परतें के दो चुंबकीकरण सदिशों को संरेखित किया जाता है, तो फेरोमैग्नेटिक परतें विरुद्ध-अनुयोजित होने की तुलना में विद्युत प्रतिरोध कम होगा (इसलिए निरंतर वोल्टेज पर एक उच्च धारा प्रवाहित होती है)। यह एक चुंबकीय क्षेत्र संवेदक का निर्माण करता है।

उपकरणों में जीएमआर के दो प्रकार लागू किए गए हैं- (1) करंट-इन-प्लेन (सीआईपी), जहां विद्युत धारा परतों के समानांतर प्रवाहित होती है और (2) विद्युत-लंबवत-से-समतल (सीपीपी), जहां विद्युत धारा परतों के लंबवत दिशा में बहती है।

अन्य धातु-आधारित स्पिनट्रॉनिक्स उपकरण-

  • सुरंग चुंबकीय प्रतिरोध (टीएमआर), जहां फेरोमैग्नेटिक परतों को अलग करने वाले पतले विसंवाहक के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की क्वांटम-यंत्रवत् सुरंग का उपयोग करके सीपीपी परिवहन प्राप्त किया जाता है।
  • चक्रण-स्थानांतरण टॉर्क, जहां उपकरण में फेरोमैग्नेटिक इलेक्ट्रॉन की चुंबकीकरण दिशा को नियंत्रित करने के लिए चक्रण ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉनों की एक धारा का उपयोग किया जाता है।
  • चक्रण-तरंग संगत उपकरण में सूचना ले जाते हैं। हस्तक्षेप और चक्रण-तरंग फैलाव तर्क संचालन कर सकते हैं।

स्पिनट्रोनिक-संगत उपकरण

प्रवर्धन (स्केलिंग) को सक्षम करने के लिए गैर-वाष्पशील चक्रण-संगत उपकरणों का व्यापक अध्ययन किया जा रहा है।[13] चक्रण-स्थानांतरण टॉर्क-आधारित संगत उपकरण जो सूचना प्रसंस्करण के लिए चक्रण और चुंबक का उपयोग करते हैं, प्रस्तावित किए गए हैं।[14][15] ये उपकरण आईटीआरएस अन्वेषण रोड मैप का हिस्सा हैं। संगत में मेमोरी अनुप्रयोग पहले से ही विकास के चरण में हैं।[16][17] 2017 का एक समीक्षा लेख मटेरियल टुडे में पाया जा सकता है।[18]

अनुप्रयोग

चुंबकीय हार्ड ड्राइव का रीड हेड जीएमआर या टीेएमआर प्रभाव पर आधारित होते हैं।

मोटोरोला ने पहली पीढ़ी की 256 केबी (किलोबाइट) मैग्नेटोरेसिस्टिव रैंडम-एक्सेस मेमोरी (MRAM) विकसित की गयी जो एकल चुंबकीय सुरंग जंक्शन (मैग्नेटिक टनल जंक्शन ) और एकल ट्रांजिस्टर (सिंगल ट्रांजिस्टर) पर आधारित है जिसमें 50 नैनोसेकंड से कम का रीड / राइट का चक्र (साइकल) है।[19] एवरस्पिन ने तब से 4 एमबी (MB) संस्करण विकसित किया है।[20] दूसरी पीढ़ी की दो एमआरएएम तकनीकें विकास में हैं- थर्मल-असिस्टेड स्विचिंग (टीएएस)[21] और स्पिन-ट्रांसफर टॉर्क (एसटीटी)।[22] एक अन्य रचना, रेसट्रैक मेमोरी, फेरोमैग्नेटिक तार की ज्ञानक्षेत्र दीवारों के बीच चुंबकीयकरण की दिशा में जानकारी को कूटलेखन करता है।

2012 में, समकालिक इलेक्ट्रॉनों के लगातार चक्रण कुंडलित वक्रता को नैनोसेकंड से अधिक समय तक बनाए रखने के लिए बनाया गया था, जो पूर्व के प्रयासों की तुलना में 30 गुना अधिक था, और एक आधुनिक संसाधित्र घड़ी चक्र की अवधि से अधिक था।[23]

अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) आधारित स्पिनट्रॉनिक उपकरण

वार्निश अर्धचालक पदार्थ तनु लौहचुंबकत्व (फेरोमैग्नेटिज्म) प्रदर्शित करते हैं। हाल के वर्षों में, जिंक ऑक्साइड आधारित तनु चुंबकीय ऑक्साइड और टाइटेनियम डाइ ऑक्साइड आधारित तनु चुंबकीय ऑक्साइड कई प्रयोगात्मक और कम्प्यूटेशनल जांच का विषय रहे हैं।[24][25] गैर-ऑक्साइड फेरोमैग्नेटिक अर्धचालक स्रोत (जैसे मैंगनीज-वार्निश गैलियम आर्सेनाइड),[26] एक सुरंग बाधा,[27] या उष्ण-इलेक्ट्रॉन अन्तःक्षेपण का उपयोग करके अंतराफलक प्रतिरोध को बढ़ाते हैं।[28]

अर्धचालकों में चक्रण का पता लगाने को कई तकनीकों से संबोधित किया गया है।

  • फैराडे/केर प्रेषित/परावर्तित फोटॉनों का घुूर्णन[29]
  • इलेक्ट्रोल्यूमिनेशन का परिपत्र ध्रुवीकरण विश्लेषण[30]
  • गैर-स्थानीय चक्रण वाल्व (जॉनसन और सिल्स्बी के धातुओं के साथ काम से अनुकूलित)[31]
  • बैलिस्टिक चक्रण निस्पंदन[32]

बाद की तकनीक का उपयोग चक्रण-कक्षा परस्पर क्रिया की कमी और सिलिकॉन में चक्रण परिवहन को प्राप्त करने के लिए पदार्थ के निर्गम को दूर करने के लिए किया गया था।[33] चूंकि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र (और चुंबकीय संपर्कों से भटके हुए क्षेत्र) अर्धचालकों (जो चक्रण-वाल्व प्रभाव की नकल करते हैं) में बड़े हॉल प्रभाव और चुंबकत्व का कारण बन सकते हैं, अर्धचालकों में चक्रण परिवहन का एकमात्र निर्णायक प्रमाण एक चुंबकीय क्षेत्र में चक्रण पूर्वता और विचरण का प्रदर्शन है। अन्तःक्षेप चक्रण अभिविन्यास के लिए गैर-समानांतर, जिसे हनले प्रभाव कहा जाता है।

अनुप्रयोग

चक्रण-ध्रुवीकृत विद्युत अन्तःक्षेप का उपयोग करने वाले अनुप्रयोगों ने प्रारंभिक विद्युत में कमी और नियंत्रणीय गोलाकार ध्रुवीकृत सुसंगत प्रकाश उत्पादन दिखाया है।[34] उदाहरणों में अर्धचालक लेजर शामिल हैं। भविष्य के अनुप्रयोगों में एक चक्रण-आधारित ट्रांजिस्टर शामिल हो सकता है जिसमें एमओएसएफईटी उपकरणों जैसे कि तीव्र अवदेहली ढलान पर लाभ होता है।

चुंबकीय-टनल ट्रांजिस्टर- एकल आधार परत वाले चुंबकीय-टनल ट्रांजिस्टर[35] में निम्नलिखित टर्मिनल होते हैं।

  • उत्सर्जक (एफएम 1)- चक्रण-ध्रुवीकृत गर्म इलेक्ट्रॉनों को आधार में अन्तःक्षेप करता है।
  • आधार (एफएम 2)- चक्रण पर निर्भर प्रकीर्णन आधार में होता है। यह एक चक्रण निस्पंदन के रूप में भी कार्य करता है।
  • संग्रहकर्त्ता (जीएएएस)- अंतराफलक पर एक शोट्की अवरोध बनता है। यह केवल उन इलेक्ट्रॉनों को एकत्र करता है जिनमें शोट्की बाधा को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है, और जब अर्धचालक में अवस्थाएँ उपलब्ध होती हैं।

चुंबकीय धारा (एमसी) इस प्रकार दी गई है।

और हस्तांतरण अनुपात (टीआर) है

एमटीटी कमरे के तापमान पर एक उच्च चक्रण-ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉन स्रोत का वादा करता है।

भंडारण मीडिया

एंटिफेरोमैग्नेटिक भंडारण मीडिया का अध्ययन को फेरोमैग्नेटिज्म के विकल्प के रूप में किया गया है,[36] विशेष रूप से जब से एंटिफेरोमैग्नेटिक पदार्थ के साथ बिट्स को फेरोमैग्नेटिक पदार्थ के साथ संग्रहीत किया जा सकता है तो सामान्य परिभाषा के अतिरिक्त, 0 'चुंबकत्व ऊपर की ओर' 1 'चुंबकत्व नीचे की ओर' अवस्थाएं हो सकती हैं, उदाहरण के लिए: 0 'लंबवत-वैकल्पिक चक्रण विन्यास' और 1 'क्षैतिज-वैकल्पिक चक्रण विन्यास' हैं।[37]

एंटिफेरोमैग्नेटिक पदार्थ के मुख्य लाभ हैं:

  • शून्य शुद्ध बाह्य चुम्बकत्व के कारण पथभ्रष्ट क्षेत्रों द्वारा डेटा-हानिकारक गड़बड़ी के प्रति असंवेदनशीलता।[38]
  • निकट कणों पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता, जिसका अर्थ है कि एंटिफेरोमैग्नेटिक उपकरण तत्व चुंबकीय रूप से इसके समीप तत्वों को परेशान नहीं करेंगे।[38]
  • बहुत कम स्विचन समय (गीगाहर्ट्ज फेरोमैग्नेटिक अनुनाद आवृत्ति की तुलना में एंटिफेरोमैग्नेटिक अनुनाद आवृत्ति टेराहर्टज क्षेत्र में है)।[39]
  • विसंवाहक, अर्धचालक, अर्धधातुएं,धातुएं और अतिचालक सहित सामान्य रूप से उपलब्ध एंटिफेरोमैग्नेटिक पदार्थों का व्यापक क्षेत्र है।[39]

शोध किया जा रहा है कि एंटिफेरोमैग्नेटिक स्पिंट्रोनिक्स की जानकारी को कैसे पढ़ा और लिखा जाए क्योंकि उनका शुद्ध जीरो चुंबकीकरण पारंपरिक फेरोमैग्नेटिक स्पिंट्रोनिक्स की तुलना में इसे मुश्किल बनाता है। आधुनिक एमआरएएम में, चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा फेरोमैग्नेटिक क्रम का पता लगाने और हेरफेर को विद्युत प्रवाह द्वारा अधिक कुशल और मापनीय पढ़ने और लिखने के पक्ष में छोड़ दिया गया है। क्षेत्र के अतिरिक्त विद्युत द्वारा जानकारी पढ़ने और लिखने के तरीकों की भी एंटिफेरोमैग्नेटिक में जांच की जा रही है क्योंकि क्षेत्र वैसे भी अप्रभावी हैं। वर्तमान में चक्रण हॉल प्रभाव और रश्बा प्रभाव के माध्यम से चक्रण-स्थानांतरण टॉर्क और चक्रण-कक्षा टॉर्क द्वारा एंटिफेरोमैग्नेटिक की लेखन विधियों में जांच की जा रही हैं। सुरंग चुंबकीय प्रतिरोध, जैसे- चुंबकीय प्रतिरोध प्रभावों के माध्यम से चुंबकीय प्रतिरोध में पढ़ने की जानकारी का भी पता लगाया जा रहा है।[40]

यह भी देखें

  • विद्युत द्विध्रुवीय चक्रणअनुनाद
  • जोसेफसन प्रभाव
  • चुंबकीय प्रतिरोधी याद्दच्छिक अभिगम स्मृति (एमआरएएम)
  • मैग्नोनिक्स
  • ग्राफीन स्पिनट्रॉनिक्स के संभावित अनुप्रयोग
  • रशबा प्रभाव
  • चक्रण पपंन
  • चक्रण-स्थानांतरण टॉर्क
  • स्पिनहेंज घर
  • स्पिनमेक्ट्रोनिक्स
  • स्पिनप्लास्मोनिक्स
  • वैलीट्रॉनिक्स
  • उभरती प्रौद्योगिकियों की सूची
  • मल्टीफ़ेरोइक

संदर्भ

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अग्रिम पठन

बाहरी संबंध

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