歴史 スピントロニクスは、1980年代に固体デバイスにおけるスピン依存電子輸送現象に関する発見から生まれた。これには、ジョンソンとシルスビーによる強磁性金属から常伝導金属へのスピン偏極電子注入の観測（1985年） [ 5 ] 、およびアルバート・フェルト ら[ 6 ] ピーター・グリュンベルク らによる巨大磁気抵抗 の発見（1988年） [ 7 ] [ 8 ] ダッタ とダスによるスピン電界効果トランジスタの理論的提案[ 9 ] ラシュバ による電気双極子スピン共鳴の提案 [ 10 ]から始まった。
2012年には、同期した電子の持続スピンヘリックスが1ナノ秒以上持続するように作られ、これは以前の試みの30倍の増加であり、現代のプロセッサのクロックサイクルの期間よりも長い。[ 11 ]
2025年、60 K (−213.2 °C; −351.7 °F) の結晶性ヨウ化ニッケル(II) (NiI 2 ) がp波磁性を示すことが報告された。これは、ニッケル原子のスピンが2つの方向でらせん状に配列される現象である。これらの方向は、小さな電流によって切り替えることができる。デジタルデバイスに応用すると、このスピントロニクス特性は、コンピュータや電話などのデバイスに電力を供給する従来の電荷ベースの電子機器よりもはるかに少ない電流で済む。[ 12 ]
理論 電子のスピンは、軌道運動による角運動量とは別の、固有の角運動量です。任意 の 軸に沿った電子のスピンの射影の大きさは1 2 ℏ {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\hbar } これは、スピン統計定理 により電子がフェルミオン として振る舞うことを意味する。軌道角運動量と同様に、スピンには磁気モーメント が関連付けられており、その大きさは次のように表される。
μ = 3 2 q m e ℏ {\displaystyle \mu ={\tfrac {\sqrt {3}}{2}}{\frac {q}{m_{e}}}\hbar } 固体中では、多数の電子のスピンが協調して作用し、物質の磁気的および電子的特性に影響を与えることができ、例えば強磁性体 のように永久磁気モーメントを与えることができる。
多くの材料では、電子スピンはアップ状態とダウン状態の両方に等しく存在し、輸送特性はスピンに依存しません。スピントロニクスデバイスでは、スピン偏極した電子集団を生成または操作する必要があり、その結果、スピンアップまたはスピンダウンの電子が過剰になります。スピン依存特性Xの偏極は次のように表すことができます。
P X = X ↑ − X ↓ X ↑ + X ↓ {\displaystyle P_{X}={\frac {X_{\uparrow }-X_{\downarrow }}{X_{\uparrow }+X_{\downarrow }}}} 正味のスピン偏極は、スピンアップとスピンダウンのエネルギーの平衡分割を作り出すことによって達成できます。その方法には、物質を大きな磁場に置くこと（ゼーマン効果 ）、強磁性体に存在する交換エネルギー、またはシステムを非平衡状態に強制することなどがあります。このような非平衡状態を維持できる期間は、スピン寿命として知られています。τ \displaystyle \tau }
拡散導体では、スピン拡散 長λ {\displaystyle \lambda }
スピンアップ、スピンダウン、およびそれによって生じるスピン偏極した電子の集団を示すグラフ。スピンインジェクター内部では偏極は一定であるが、インジェクター外部では、スピンアップとスピンダウンの集団が平衡状態に達するにつれて偏極は指数関数的にゼロに減少する。 スピン偏極した電子集団の崩壊メカニズムは、大きくスピン反転散乱とスピン位相緩和に分類できます。スピン反転散乱は、固体内部で起こるスピン保存則を満たさないプロセスであり、入射するスピンアップ状態を放出するスピンダウン状態に切り替えてしまう可能性があります。スピン位相緩和とは、共通のスピン状態を持つ電子集団が、電子スピン歳差運動 の速度の違いによって時間とともに偏極度を失っていくプロセスです。閉じ込められた構造では、スピン位相緩和が抑制され、低温の半導体量子ドット ではスピン寿命がミリ秒単位になります。
超伝導体は、 磁気抵抗効果、スピン寿命、無散逸スピン電流などのスピントロニクスの中心的な効果を高めることができる。[ 13 ] [ 14 ]
金属中にスピン偏極電流を生成する最も簡単な方法は、強磁性 体を通して電流を流すことです。この効果の最も一般的な応用例は、巨大磁気抵抗 （GMR）デバイスです。典型的なGMRデバイスは、スペーサー層で隔てられた少なくとも2層の強磁性体から構成されています。2つの強磁性層の磁化ベクトルが整列すると、強磁性層が反整列している場合よりも電気抵抗が低くなり（つまり、一定電圧でより大きな電流が流れます）、磁場センサーとして機能します。
GMRの2つのバリエーションがデバイスに適用されている。
面内電流（CIP）では、電流は層に平行に流れ、 電流垂直面（CPP）とは、電流が層に対して垂直な方向に流れる状態を指します。 その他の金属ベースのスピントロニクスデバイス：
トンネル磁気抵抗 （TMR）とは、強磁性層を隔てる薄い絶縁体を通して電子が量子力学的トンネル効果によって移動することで、CPP輸送を実現する現象である。スピン伝達トルク とは、スピン偏極した電子の電流を用いて、デバイス内の強磁性電極の磁化方向を制御する技術である。スピン波論理素子は位相情報を用いて情報を伝達する。干渉とスピン波散乱を利用することで論理演算を実行できる。
デバイスの種類
スピントロニクスロジック スケーリングを可能にする不揮発性スピンロジックデバイスが広く研究されている。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] ITRSの 探索的ロードマップの一部である。ロジック・イン・メモリアプリケーションは既に開発段階にある。[ 18 ] [ 19 ] 2017年のレビュー記事はMaterials Today に掲載されている。[ 4 ]
スピントロニクス集積回路の一般化された回路理論が提案されており[ 20 ] SPICE 開発者、そしてその後回路設計者やシステム設計者が「CMOSコンピューティングを超える」スピントロニクスの探求に利用できるようになっている。
反強磁性記憶媒体は 強磁性 の代替として研究されてきた[ 31 ]。 特に 「上向き磁化」、1↔ 「下向き磁化」の代わりに、状態は、例えば0↔ 「垂直交互スピン配置」、1↔ 「水平交互スピン配置」とすることができる[ 32 ]
反強磁性体の主な利点は以下のとおりです。
正味外部磁化がゼロであるため、迷走磁場によるデータ損傷摂動に対する感度が低い。[ 33 ] 近傍の粒子には影響がなく、反強磁性デバイス要素が隣接する要素を磁気的に妨害しないことを示唆している。[ 33 ] スイッチング時間がはるかに短い（反強磁性共鳴周波数はGHzの強磁性共鳴周波数に比べてTHzの範囲にある）；[ 34 ] 一般的に入手可能な反強磁性材料には、絶縁体、半導体、半金属、金属、超伝導体など、幅広い種類がある。[ 34 ] 反強磁性スピントロニクスでは、正味の磁化がゼロであるため、従来の強磁性スピントロニクスに比べて情報の読み書きが困難であることから、その方法について研究が進められています。現代のMRAMでは、磁場による強磁性秩序の検出と操作は、より効率的でスケーラブルな電流による読み書きを優先する形で、ほぼ放棄されています。磁場はそもそも効果がないため、反強磁性体では磁場ではなく電流による情報の読み書き方法も研究されています。現在、反強磁性体で研究されている書き込み方法は、スピンホール効果 とラシュバ効果 によるスピン伝達トルク とスピン軌道トルクによるものです。 トンネル磁気抵抗 などの磁気抵抗効果による反強磁性体の情報の読み出しも研究されています。[ 35 ]
アプリケーション
磁気トンネルトランジスタ 磁気トンネルトランジスタ（MTT）は、室温で高スピン偏極電子源を実現する。単一のベース層を持つMTT [ 41 ]
磁流（MC）は次のように表される。
M C = 私 c 、 p − 私 c 、 1 p 私 c 、 1 p {\displaystyle MC={\frac {I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}}} そして伝達比（TR）は
T R = 私 C 私 E {\displaystyle TR={\frac {I_{C}}{I_{E}}}}
ニューロモルフィックコンピューティング スピンベースの磁気デバイスのもう一つの重要な応用分野は、生物学的神経系の計算原理を模倣することを目的としたニューロモルフィックコンピューティング です。現代の人工知能モデルでは、トレーニングに数百万回の計算演算が必要となり、これは従来のコンピューティングアーキテクチャでは困難です。従来のコンピューティングはフォン・ノイマン型アーキテクチャを採用しており、メモリと計算ユニットは物理的に分離されています。この分離により、計算中にデータが行き来する必要が生じ、大きなボトルネックとなっています。スピントロニクスデバイスは、低エネルギー動作、高い耐久性、ナノスケールでの拡張性、不揮発性といった特性を備えているため、脳に着想を得たアーキテクチャの要求によく合致し、ニューロモルフィックコンピューティングの有力な候補となります。
このようなシステムでは、磁気トンネル接合 （MTJ）、ドメインウォールナノ トラック、スキルミオン ベースのデバイス、スピントルク ナノ発振器などのスピントロニクス素子を用いて、ナノスケール強磁性体の磁化ダイナミクスを利用して神経機能やシナプス機能を実装します。これらのデバイスは、スピン伝達トルクまたはスピン軌道トルク下での磁気モーメントの挙動を通じて、時間積分、リーク電流、閾値活性化、シナプス可塑性などの動作を本質的に実現できます。
例えば、磁壁ベースのMTJは、膜電位を駆動磁壁の位置にマッピングすることで、リーキー積分発火モデルを再現します。スカイミオンベースのシナプスは、ナノトラック内のスカイミオンの数や配置にシナプス重みを符号化し、電流駆動による動きを通して入力スパイクの重み付き加算を可能にします。確率的低障壁 ナノ磁石を 確率ビットとして使用するなど、他のスピントロニクス実装は、ハードウェア効率の良い方法でノイズ駆動型ニューラルコンピューティングと確率的コンピューティングをサポートします。
スピントロニクスデバイスは不揮発性で、拡張性が高く、サブフェムトジュールのスイッチングエネルギー を実現できるため、メモリと演算を同じ物理媒体内に統合するコンパクトなニューロモルフィックシステムのための有望なプラットフォームとなります。現在進行中の研究は、デバイスの均一性の向上、動作エネルギーの低減、CMOS回路との大規模統合の実現、ニューロモルフィック機能を強化するための新しい磁性材料の開発に焦点を当てています。[ 42 ]
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