DE112016003725T5

DE112016003725T5 - Einheiten für nichtlineare Spin-Bahn-Wechselwirkung und Verfahren für Strom-Spin-Wandlung und Verstärkung von Spinpolarisationen

Info

Publication number: DE112016003725T5
Application number: DE112016003725.2T
Authority: DE
Inventors: Patrick Brian Altmann; Gian R. Salis
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-05-09
Also published as: CN108431960A; GB2560838B; JP6898044B2; GB2560838A; GB201808518D0; CN108431960B; JP2019504466A; US9564523B1; WO2017098363A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit. Diese Einheit weist einen Abgrenzungsbereich auf. Ferner enthält sie eine Schaltlogik mit einer Eingangseinheit, die zum Injizieren von Spinpolarisationen in Ladungsträger in einem Eingangsbereich des Abgrenzungsbereichs anregbar ist. Die Schaltlogik weist ferner eine Ausgangseinheit auf, die zum Detektieren der Spinpolarisationen von Ladungsträgern in einem Ausgangsbereich des Abgrenzungsbereichs verwendbar ist. Der Abgrenzungsbereich kann so konfiguriert sein, dass darin wandernde Ladungsträger einer nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung ausgesetzt sind, wodurch eine Drehung einer Spinpolarisation der wandernden Ladungsträger um einen Winkel veranlasst wird, der nichtlinear von Momenten solcher Ladungsträger abhängt. Die Schaltlogik kann so konfiguriert sein, dass Momente in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger verändert werden können, während Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich injiziert werden. Aufgrund der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung können durch Verändern der Momente Spinpolarisationen wandernder Ladungsträger gedreht werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Spintronik. Insbesondere betrifft die Erfindung Einheiten und Verfahren, die auf nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkungen beruhen, um Funktionalitäten wie beispielsweise Strom-Spin-Wandlung und Verstärkung von Spinpolarisationen zu ermöglichen.
Bei Spintronik handelt es sich um ein Gebiet der Elektronik, bei dem das Spinmoment eines Ladungsträgers zusätzlich zu seiner Ladung dazu verwendet wird, Signale zu erzeugen oder zu verarbeiten. Die Verarbeitung von Signalen kann im Sinne von Anwendungen zur Datenübertragung, zur Speicherung, zum Messen oder für Logikoperationen erfolgen.
Es sind eine Anzahl von Konzepten vorgeschlagen worden, die auf dem Elektronenspin beruhen. Insbesondere sind Spineinheiten vorgeschlagen worden, die eine Spintransportschicht (STL) oberhalb eines Substrats beinhalten. Mit der STL sind Eingangs- und Ausgangselektroden verbunden. Die Eingangselektroden dienen als Spininjektionskontakte und bestehen aus einem magnetischen Material, das in einer von zwei möglichen Richtungen (Spin up/Spin down) magnetisiert ist. Durch Leiten eines Stroms zwischen den Eingangselektroden und der STL können in der STL an der Grenzfläche zwischen der Eingangselektrode und der STL spinpolarisierte Elektronen angesammelt werden. Die Spinpolarisation von Elektronen an dieser Stelle in der STL steht in direktem Zusammenhang mit der Magnetisierung der Eingangselektrode, d.h., die Spins in der STL sind entweder up oder down. Die Ausgangselektroden wandeln die lokale Spinpolarisation an der Grenzfläche zwischen der STL und der Ausgangselektrode um. Die Spinpolarisation kann z.B. in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Konzepte von Eingangs- und Ausgangselektroden, die als Spininjektions- und Spindetektionskontakte dienen, sind bestens bekannt. Zwischen den Eingangs- und Ausgangselektroden breitet sich die durch die Eingangselektrode aufgeprägte Spinpolarisation durch Diffusion oder Wanderung aus.
Ferner sind Logikgatter unter Verwendung von Majoritätslogik-Konzepten bekannt, bei denen mehrere Eingangselektroden den Elektronenspin in der STL polarisieren und die Ausgangselektrode die mittlere Spinpolarisation detektiert, die von diesen Eingangselektroden zu der Ausgangselektrode diffundiert.
In der Praxis kann der Spin von Ladungsträgern sowohl in ferromagnetischen Materialien als auch in Materialien manipuliert werden, die eine Spin-Bahn-Wechselwirkung ermöglichen. Zwar sind Einheiten auf der Grundlage ferromagnetischer Materialien in der modernen Technologie bestens etabliert, jedoch lassen Spin-Bahn-Kopplungs-Einheiten immer noch bestimmte Grundfunktionalitäten vermissen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Ausführungsform für eine Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit bereitgestellt. Diese Einheit weist einen Abgrenzungsbereich auf, der dazu dient, darin wandernde Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) abzugrenzen. Ferner ist sie mit einer Schaltlogik ausgestattet, die eine Eingangseinheit aufweist, die anregbar ist, um in einem Eingangsbereich des Abgrenzungsbereichs Spinpolarisationen in Ladungsträger zu injizieren. Die Schaltlogik weist ferner eine Ausgabeeinheit auf, die zum Detektieren von Spinpolarisationen von Ladungsträgern in einem Ausgabebereich des Abgrenzungsbereichs verwendet werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist der Abgrenzungsbereich so konfiguriert, dass er darin wandernde Ladungsträger einer nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung aussetzt, die eine Drehung der Spinpolarisation der wandernden Ladungsträger um einen Winkel bewirkt, der nichtlinear vom Moment solcher Ladungsträger abhängt. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Schaltlogik so konfiguriert, dass Momente der in dem Abgrenzungsbereich wandernden Ladungsträger verändert werden können, wenn Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich injiziert werden. Aufgrund der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung können durch Verändern der Momente der wandernden Ladungsträger deren Spinpolarisationen gedreht werden. Gemäß Ausführungsformen wird ein elektrischer Strom (d.h. der Momenten wandernder Ladungsträger zugehörige Strom) in eine gewünschte Spinpolarisation umgewandelt.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine kubische Spin-Bahn-Wechselwirkung denkbar, wobei eine der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung zugehörige Energie einer dritten Potenz des Moments der Ladungsträger entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Spannung an den Abgrenzungsbereich angelegt, sodass sich der den Momenten der Ladungsträger zugehörige elektrische Strom entsprechend dieser Spannung ändert. Eine Spannung kann zum Beispiel über einen Drain-Kontakt und einen ferromagnetischen Kontakt an den Abgrenzungsbereich angelegt werden, die jeweils elektrisch mit dem Abgrenzungsbereich verbunden sind.
Gemäß einem anderen Aspekt wird eine Ausführungsform für ein Spinverstärkungssystem bereitgestellt. Das System weist eine oben beschriebene Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit und eine Spintronik-Einheit auf. Die Spintronik-Einheit ist so konfiguriert, dass sie in einem Ausgangsbereich derselben Ladungsträger mit bestimmten Spinpolarisationen aufnimmt. Die Schaltlogik der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit kann ferner einen Spin-Strom-Wandler aufweisen, der die Spintronik-Einheit mit dem Eingangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit koppelt, sodass Spinpolarisationen entsprechend einem Strom in dem Eingangsbereich injiziert werden können, der durch den Spin-Strom-Wandler auf der Grundlage von Spinpolarisationen von Ladungsträgern erzeugt wurde, die in dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbar sind. Gemäß Ausführungsformen wird die Schaltlogik bereitgestellt, um Spinpolarisationen in Bezug auf Spinpolarisationen in dem Ausgangsbereich detektierbarer Ladungsträger zu verstärken, die in dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit so bereitgestellt werden, dass es sich bei einer Spinpolarisation von Ladungsträgern um eine Schwingungsfunktion des elektrischen Stroms handelt, der Momenten in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger zugehörig ist. Bei Nutzung eines linearen Bereichs der Funktion können sich die verstärkten Spinpolarisationen als linear abhängig von dem elektrischen Strom erweisen, der den wandernden Ladungsträgern zugehörig ist.
Gemäß anderen Ausführungsformen wird eine Nutzung eines nichtlinearen Bereichs der obigen Schwingungsfunktion bereitgestellt. Gemäß dieser Ausführungsform führen bestimmte Werte der Spinpolarisation im Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit zu einem im Wesentlichen gleichen verstärkten Wert der Spinpolarisation. Dies führt zu Verbesserungen bei einigen Ausführungsformen wie beispielsweise Majoritätslogik-Einheiten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Drehen einer Spinpolarisation in einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit gemäß der obigen Erörterung bereitgestellt. Dieses Verfahren kann auch als Verfahren zum Verstärken von Spinpolarisationen unter Verwendung eines oben erörterten Systems genutzt werden. Die Momente in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger werden verändert (indem Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich der Einheit injiziert werden), um Spinpolarisationen der wandernden Ladungsträger auf Grund der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung zu drehen. Mittels solcher Verfahren sind oben erörterte Strom-Spin-Wandlungen oder Spinverstärkungen möglich.
Durch die Techniken der vorliegenden Erfindung werden weitere Merkmale und Vorteile realisiert. Hierin werden andere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung detailliert beschrieben, die als Bestandteil der beanspruchten Erfindung angesehen werden. Zum besseren Verständnis der Erfindung mit den Vorteilen und den Merkmalen wird auf die Beschreibung und die Zeichnungen verwiesen.
Figurenliste
Der Gegenstand der Erfindung wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung eingehend dargelegt und ausdrücklich beansprucht. Die obigen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar, wobei:

1 eine 3D-Ansicht einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit zur Strom-Spin-Wandlung gemäß Ausführungsformen zeigt;
2 eine 2D-Querschnittsansicht der Einheit von 1 (in der weitere Einzelheiten zum Abgrenzungsbereich dieser Einheit gezeigt sind) gemäß Ausführungsformen zeigt;
3 eine 3D-Ansicht eines Systems gemäß Ausführungsformen zeigt, in dem eine Spintronik-Einheit mit einer in 1 gezeigten Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit verbunden ist, um eine Spinverstärkung zu ermöglichen;
4 eine 3D-Ansicht eines anderen Systems gemäß Ausführungsformen zeigt, das eine andere mit dem Ausgangsbereich einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit verbundene Spintronik-Einheit aufweist;
5 ein Diagramm der theoretischen Abhängigkeit der Amplitude der (entlang der Hauptrichtung der Einheit ausgerichteten Spinpolarisation) von der Wanderungsgeschwindigkeit gemäß einigen Ausführungsformen sowohl für den Idealfall (durchgezogene Linie, ohne Diffusion) als auch unter Berücksichtigung von Spindiffusion (gestrichelte Linie) gemäß einigen Ausführungsformen zeigt;
6 eine theoretische Abhängigkeit der Amplitude der Spinpolarisation von dem (den wandernden Ladungsträgern zugehörigen) Strom gemäß einigen Ausführungsformen zeigt;
7 ein Diagramm zeigt, das wie im System von 3 eine annähernd lineare Abhängigkeit zwischen der Amplitude der in einem Ausgangsbereich einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbaren Spinpolarisationen und der Amplitude der in einem Ausgangsbereich einer damit verbundenen Spintronik-Einheit verfügbaren Spinpolarisationen gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht (um eine lineare Verstärkung zu ermöglichen); und
8 ein Diagramm zeigt, das die theoretische Abhängigkeit der Amplitude der Spinpolarisation von einem Widerstand und die Art und Weise veranschaulicht, wie das nichtlineare Verhalten einer solchen Funktion für Majoritätslogik-Anwendungen genutzt werden kann. Die gestrichelten Linien kennzeichnen gemäß einigen Ausführungsformen vier mögliche Ergebnisse einer Majoritätslogik-Operation durch eine Majoritätslogik-Einheit, die (wie in der Konfiguration von 3) mit einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit verbunden ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist wie folgt unterteilt. Zuerst werden allgemeine Ausführungsformen und allgemeine Varianten beschrieben. Im nächsten Abschnitt werden speziellere Ausführungsformen und Einzelheiten zu technischen Implementationen behandelt.
Allgemeine Ausführungsformen und allgemeine Varianten
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 wird zuerst eine Ausführungsform beschrieben, die eine Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 betrifft. Zu beachten ist, dass der Begriff „Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit“ synonym ist mit dem Begriff „Spin-Bahn-Wechselwirkungseinheit“, d.h. einer Einheit, die eine Spin-Bahn-Wechselwirkung ermöglicht.
Diese Einheit 100 weist einen Abgrenzungsbereich 8 auf, der dafür ausgelegt ist, möglicherweise darin wandernde Ladungsträger abzugrenzen. Moderne Einheiten können auf Elektrodynamik beruhen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann es sich bei den Ladungsträgern um Löcher handeln, da bekannt ist, dass nichtlineare Spin-Bahn-Wechselwirkung auch in Lochsystemen vorkommt.
Der Abgrenzungsbereich 8 weist ferner eine Schaltlogik 1, 4 auf. Diese Schaltlogik weist insbesondere eine Eingangseinheit 1 auf, die zum Injizieren von Spinpolarisationen 2 in Ladungsträger in dem Eingabebereich 10 des Abgrenzungsbereichs 8 angeregt werden kann. Diese Schaltlogik 1, 4 weist auch eine Ausgangseinheit 4 auf, die insbesondere zum Detektieren von Spinpolarisationen von Ladungsträgern in einem Ausgangsbereich 40 des Abgrenzungsbereichs 8 verwendet werden kann. Die Ausgangseinheit 4 ist üblicherweise dazu vorgesehen, mittlere Spinpolarisationen 6 zu detektieren. Üblicherweise wird eine Projektion („S_Z ^out“) der Spinpolarisation auf den Magnetisierungsvektor (z-Achse) eines Drain-Kontakts 40 detektiert.
An dieser Stelle muss erwähnt werden, dass der Abgrenzungsbereich 8 so konfiguriert ist, dass darin wandernde Ladungsträger einer nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung ausgesetzt werden. Hierin wird erläutert, dass eine nichtlineare Spin-Bahn-Wechselwirkung eine Drehung der Spinpolarisationen der wandernden Ladungsträger um einen Winkel bewirkt, der nichtlinear von dem Moment der Ladungsträger abhängt. Außerdem ist die Schaltlogik 1, 4 so konfiguriert, dass Momente in dem Abgrenzungsbereich 8 wandernder Ladungsträger verändert werden können, wenn gleichzeitig Spinpolarisationen im Eingangsbereich 10 injiziert werden.
Demgemäß können Spinpolarisationen der wandernden Ladungsträger aufgrund der Eigenschaften der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkungen entsprechend den veränderten Momenten gedreht werden. Somit ermöglicht die oben erwähnte Einheit ein Umwandeln eines (Momenten wandernder Ladungsträger zugehörigen) elektrischen Stroms in eine gewünschte Spinpolarisations-Richtung, z.B. eine positive Spinpolarisation oder eine negative Spinpolarisation der Ladungsträger entlang der Richtung z. Die Stärke des Spinpolarisations-Zustands auf der Ebene des Ausgangsbereichs 40 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 kann durch geeignetes Ändern der Momente der Ladungsträger verändert werden. Mit anderen Worten, der vorliegende Ansatz beruht auf Ladungsträgern, die in einem nichtlinearen (z.B. kubischen) Spin-Bahn-Kopplungssystem wandern, um einen aufgrund der wandernden Ladungsträger entstehenden elektrischen Strom in einen gewünschten Spinpolarisations-Zustand umzuwandeln, wobei Richtungen und Stärken der Ausgangs-Spins verändert werden können.
Eine Spinpolarisation kann zum Beispiel einfach durch Anlegen einer Spannung an den Abgrenzungsbereich 8 verändert werden, um so das Potenzial zu ändern, dem der Abgrenzungsbereich ausgesetzt ist (z.B. kann die Spannung zwischen 0 V und ±45 mV geändert werden). Die erforderliche Spannung kann über die oben erwähnte Schaltlogik 1, 4 angelegt werden. Der den Momenten der in dem Abgrenzungsbereich 8 wandernden Ladungsträger zugehörige elektrische Strom ändert sich somit gemäß der über die Schaltlogik 1, 4 angelegten Spannung.
Gemäß Ausführungsformen wird die Schaltlogik auf einen festen Arbeitspunkt einstellt, an dem die (einmal angelegte) Spannung konstant bleibt. Gemäß Varianten ist die Schaltlogik ferner zur Änderung der angelegten Spannung konfiguriert, um möglicherweise eine Anpassung/Optimierung des Arbeitspunktes vornehmen zu können. In jedem dieser Fälle ändert sich die durch die Ladungsträger wahrgenommene Spannung. Hierzu ist anzumerken, dass die Spannung (und somit der Strom durch den Kanal) im Allgemeinen geändert werden muss, um die Spinpolarisation in dem Ausgangsbereich zu ändern. Gemäß anderen Ausführungsformen, die auf eine (hierin unter Bezugnahme auf die 3 und 7 beschriebene) Spin-Verstärkungseinheit Bezug nehmen, braucht die (einmal angelegte) Spannung nicht weiter geändert zu werden. Dennoch kommt es aufgrund eines veränderlichen spinabhängigen Widerstands zur effektiven Änderung des durch den Kanal 8 fließenden Stroms. Bei sämtlichen obigen Ausführungsformen wird die Tatsache genutzt, dass Momente durch den Abgrenzungsbereich 8 wandernder Ladungsträger geändert werden können.
Bekanntlich gibt es bereits Einheiten, die eine in der Einleitung erwähnte Umwandlung einer Spinpolarisation in ein Stromsignal ermöglichen. Neuere Einheiten ermöglichen jedoch ein Konzept einer umgekehrten Umwandlung (d.h. eine Strom-Spin-Wandlung), die bis heute noch nicht gezeigt worden ist. Der den Ausführungsformen hierin zugrunde liegende physikalische Effekt (nichtlineare Abhängigkeit der Spinpolarisation von Ladungsträgermomenten) darf nicht mit dem Spin-Hall-Effekt verwechselt werden, der eine Spinpolarisation liefert, die einem Strom (entlang der Seiten eines stromführenden Kanals) proportional ist, jedoch ohne irgendeine nichtlineare Abhängigkeit der Spinpolarisation vom Strom einzubeziehen.
Zum Herstellen einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit müssen geeignete Materialien gewählt werden, insbesondere für den Abgrenzungsbereich 8. Nichtlineare Spin-Bahn-Wechselwirkungen kommen insbesondere in Halbleiterkristallen mit Festkörper-Inversionssymmetrie vor, z.B. in Kristallen mit Zinkblendestruktur wie beispielsweise III-V-Halbleitern der Art GaAs, InAs, InSb, GaSb und AlAs. Außerdem ist bekannt, dass andere Stoffklassen wie beispielsweise Perovskite und Übergangsmetall-Chalkogenide eine nichtlineare, z.B. eine kubische Spin-Bahn-Wechselwirkung aufweisen. Darüber hinaus sind Lochsysteme bekannt, die Materialien mit einer mitunter starken kubischen Spin-Bahn-Wechselwirkung verwenden. Eine Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit kann somit auf vorteilhafte Weise auf der Grundlage von solchen Materialien oder, allgemeiner gesagt, von allen Materialien konzipiert werden, die wesentliche nichtlineare Spin-Bahn-Wechselwirkungen aufweisen.
Zusätzlich kommen weitere Überlegungen in Betracht. Zunächst müssen der Eingangskontakt 1 und der Ausgangskontakt 4 vorzugsweise kleiner als die Spin-Bahn-Länge in dem gewählten Material 8 sein (z.B. ein Viertel der Spin-Bahn-Länge oder weniger). Bei der Spin-Bahn-Länge handelt es sich um die Länge, die spinpolarisierte Ladungsträger zurücklegen müssen, bevor ihr Spin um 180 Grad gedreht worden ist. Da die Amplitude der Ausgangs-Spinpolarisation durch Diffusion abnimmt, ist die Einheit 100 so ausgestattet, dass die Diffusion so weit wie möglich verringert wird. Dies kann zum Beispiel durch Abstimmen der Ladungsdichte (z.B. der Elektronenschichtdicke), der Temperatur, von Streumechanismen und der Abgrenzung in Quasi-1D-Drähten (in flachen Kanälen mit Breiten, die kleiner als die Spin-Bahn-Länge sind) erreicht werden.
Gemäß Ausführungsformen ist der Abgrenzungsbereich 8 so konfiguriert, dass darin wandernde Ladungsträger einer kubischen Spin-Bahn-Wechselwirkung ausgesetzt sind. D.h., die Spin-Bahn-Wechselwirkungsenergie hängt im Wesentlichen von der dritten Potenz des Moments der Ladungsträger und zusätzlich von einem konstanten Term und einem linearen Term ab. Zum Beispiel ist ein sich bewegendes Elektron aufgrund der Spin-Bahn-Wechselwirkung einem effektiven Magnetfeld ausgesetzt, um das der Spin des Elektrons präzessiert. Im Fall der linearen Spin-Bahn-Wechselwirkung hängt die Wechselwirkungsenergie linear von dem Moment des Elektrons ab. Demzufolge hängt der Präzessionswinkel ϕ eines Spins, der sich mit einer Wanderungsgeschwindigkeit υ_D von A nach B bewegt (siehe 1), nur von der Strecke l zwischen A und B ab (siehe 1). Somit gilt unter der Annahme eines zweidimensionalen Bereichs, in dem Ladungsträger abgegrenzt sind: $ϕ = \frac{2 m *}{ℏ^{2}} β_{1} ν_{D} t = \frac{2 m *}{ℏ^{2}} β_{1} l$
Hierbei sind β₁ die Stärke der linearen Spin-Bahn-Wechselwirkung, m*die effektive Masse, t die Wanderungszeit über die Strecke l und ℏ die reduzierte Plancksche Konstante. Der Präzessionswinkel ϕ lässt sich für den Fall linearer Spin-Bahn-Wechselwirkungen aus der Spin-Bahn-Wechselwirkungsenergie E_so durch Dividieren durch die reduzierte Plancksche Konstante und Multiplizieren mit der Zeit t, d.h. aus $E_{s o} = - \frac{2 m *}{ℏ} β_{1} ν_{d} erhalten .$
Wenn die Spin-Bahn-Wechselwirkungsenergie hingegen kubisch ist (d.h., die Wechselwirkung hängt von der dritten Potenz des Moments des Elektrons ab), hängt der Präzessionswinkel des Spins nicht nur von der zurückgelegten Strecke, sondern auch von der Geschwindigkeit ab. Unter der Annahme eines (wiederum) zweidimensionalen Systems lässt sich der Präzessionswinkel ϕ in solchen Fällen als $ϕ = - \frac{2 π m * n_{s}}{ℏ^{2}} γ l - \frac{m *^{3}}{ℏ^{4}} γ ν_{D}^{2} l, beschreiben,$
wobei n_sgleich der Schichtdicke des zweidimensionalen Ladungsträgergases und γ gleich der Stärke der kubischen Spin-Bahn-Wechselwirkung ist.
Mehrere Parameter haben Einfluss auf die Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100. Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass dazu Parameter gehören wie: (i) die für den Abgrenzungsbereich verwendeten Materialien (die insbesondere für n_s und γ maßgebend sind und die Wanderungsgeschwindigkeit υ_Dbeeinflussen); die Konstruktion der Einheit 100 (was insbesondere für l maßgebend ist); und (iii) die angelegte Spannung V (die die Wanderungsgeschwindigkeit υ_D beeinflusst). Zu beachten ist, dass nach Auswahl der Materialien noch ein gewisser Spielraum für den Spannungsbereich besteht, was sich auf Wanderungsgeschwindigkeit υ_D und daraufhin auf den nichtlinearen Beitrag für den Präzessionswinkel ϕ auswirkt.
Dennoch können alle obigen Parameter (beginnend mit der Auswahl der Materialien für den Abgrenzungsbereich 8) bereitgestellt werden, um Wanderungsmomente der Ladungsträger bereitzustellen, die einen deutlichen Anteil (z.B. 10% oder mehr) des Fermi-Moments ausmachen, damit der kubische Term einen wesentlichen Beitrag liefert.
Gemäß Ausführungsformen in den 1 bis 4 weist die Eingangseinheit 1 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 einen ferromagnetischen Kontakt 1 auf, der elektrisch mit dem Abgrenzungsbereich 8 in Verbindung (d.h. in Kontakt) steht. Eine geeignete Spininjektion kann insbesondere durch Spinübertragung von einer ferromagnetischen Schicht 1 in die Abgrenzungsschicht 8 mittels Photoanregung oder durch eine beliebige Art von spinabhängigen Transportprozessen wie z.B. beim spinabhängigen Tunneln erfolgen. Ein bevorzugter Injektionsmechanismus besteht jedoch in einem Tunneln von einer ferromagnetischen Schicht.
Die Ausgangseinheit 4 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 kann einen Drain-Kontakt 4 aufweisen, der elektrisch mit dem Abgrenzungsbereich 8 verbunden ist. Die Schaltlogik 1, 4 kann demgemäß so konfiguriert sein, dass eine Spannung V über den Drain-Kontakt 4 und den ferromagnetischen Kontakt 1 an den Abgrenzungsbereich 8 angelegt (und möglicherweise verändert) wird. Der Drain-Kontakt 4 ist gemäß den 1 bis 3 vorzugsweise gegenüber dem ferromagnetischen Kontakt 1 angeordnet, z.B. an einem entgegengesetzten Ende des Abgrenzungsbereichs 8.
Zu beachten ist, dass die 3D-Ansichten der 1, 3 und 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit vereinfacht sind. Gemäß anderen Ausführungsformen können Einheiten weitere, hier nicht gezeigte Merkmale und Komponenten enthalten. Insbesondere kann der Abgrenzungsbereich 8 in 2 zusätzlich zu einem (nicht gezeigten) Substrat eine oder mehr Schichten 8, 87, 89 zum Abgrenzen von Ladungsträgern im Wesentlichen in einem zweidimensionalen Bereich aufweisen. Bei den Ladungsträgern kann es sich zum Beispiel um Elektronen handeln, die als 2D-Elektronengas in einem zweidimensionalen Bereich beschrieben werden können, d.h. ein Elektronengas, das in einem im Wesentlichen zweidimensionalen Bereich abgegrenzt ist (der durch die Richtungen y und z aufgespannt ist, wobei z gleich der Haupt- oder Längsrichtung der Einheit 100 ist). Die Abgrenzungsstruktur 8 kann zum Beispiel drei oder mehr Schichten 7, 8, 9 aus Halbleitermaterialien aufweisen. Das Elektronengas kann in einer einzelnen Schicht 8 aus Halbleitermaterial oder an einer Grenzfläche 87 oder 89 zwischen zwei benachbarten Schichten 7, 8 oder 8, 9 abgegrenzt sein. Es können noch weitere Schichten beteiligt sein. Die Schichten 7, 8, 9 selbst können bei Bedarf wiederum in Teilschichten aufgegliedert sein, um ein 2D-Elektronengas zu gewinnen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Elektronen-Abgrenzungsschicht an einer Grenzfläche zwischen einer Schicht aus Halbleitermaterial und einer weiteren Schicht aus einem halbleitenden, metallischen oder isolierenden Material gebildet sein, was hierin ausführlich erläutert wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Abgrenzungsbereich 8 eine oder mehrere nichtmagnetische Halbleiterschichten auf. Zum Beispiel kann die Ausführungsform von 2 nur nichtmagnetische Halbleiterschichten 7, 8 und 9 enthalten.
Gemäß Ausführungsformen werden die Abgrenzungsmaterialien (z.B. für die Schicht 8 in den 1 bis 3) so gewählt, dass Ladungsträger vorliegen, die einen Spin haben und in einem elektrischen Feld wandern können. Außerdem sollte sich der Spin der Ladungsträger während der Wanderung drehen. Die Spinrotation kann durch die Ausbreitung der Ladungsträger zwischen Streuereignissen und nicht durch die Streuereignisse selbst ermittelt werden, sodass die Spinrotation zwischen den Streuereignissen nichtlinear von der Wanderungsgeschwindigkeit abhängt. Die meisten nichtmagnetischen Halbleiter mit Zinkblendestruktur genügen diesen Anforderungen. Auch andere bereits weiter oben genannte Materialien genügen diesen Anforderungen.
Abgesehen von nichtmagnetischen Halbleiterschichten sind jedoch auch andere Materialien denkbar, die nichtlineare Spin-Bahn-Wechselwirkungen zeigen. Da wirksame Spininjektions- und Spindetektionsmechanismen bekannt sind, kann bei dem vorliegenden Ansatz jedes beliebige geeignete Material verwendet werden, das eine deutliche nichtlineare Spin-Bahn-Wechselwirkung zeigt.
Gemäß noch weiteren Ausführungsformen sind quasi-eindimensionale Einheiten denkbar, wobei Ladungsträger in die Lage versetzt werden, entlang einer vorgegebenen Richtung (d.h. eindimensional) zu wandern, wobei die Abmessungen des die Ladungsträger aufnehmenden Materials in einer zu dieser Richtung senkrechten Ebene kleiner als die Spin-Bahn-Länge dieses Materials sind. Mit anderen Worten, ein quasi-eindimensionales System ist in Bezug auf zwei Dimensionen abgegrenzt, während z.B. ein quasi-zweidimensionales Elektronengas in Bezug auf die zu dem zweidimensionalen Bereich senkrechten Richtung abgegrenzt ist.
Es können Einheiten 100 wie die oben beschriebenen unter Bezugnahme auf die 1 und 2 bereitgestellt werden, die einen Strom in eine gewünschte Spinpolarisation umwandeln. Hierin werden weitere Überlegungen und Implementierungen erörtert.
Außerdem können die oben erwähnten Einheiten zum Verstärken der im Ausgangsbereich einer Spintronikeinheit gewonnenen Spinpolarisationen verwendet werden, was nunmehr unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erläutert wird. Demgemäß können Ausführungsformen für ein Spinverstärkungssystem 200 bereitgestellt werden, wobei das System 200 eine oben erörterte Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 aufweist. Außerdem weist das System 200 eine Spintronik-Einheit 110 auf, die mit der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 verbunden ist. Die Spintronik-Einheit 110 ist so konfiguriert, dass in einem Ausgangsbereich 140 derselben Ladungsträger mit bestimmten Spinpolarisationen S_Z ⁱⁿ gewonnen werden. Die oben unter Bezugnahme auf die 1, 2 erörterte Schaltlogik 1, 4 kann hier so modifiziert werden, dass sie einen Spin-Strom-Wandler 114, 1 enthält, der die Spintronik-Einheit 110 des Ausgangsbereichs 10 mit der der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 koppelt.
Auf diese Weise kann eine Spinpolarisation 2 gemäß einem durch den Spin-Strom-Wandler 114, 1 erzeugten Strom, jedoch auf der Grundlage der Spinpolarisationen „S_Z ⁱⁿ“ von Ladungsträgern in dem Eingangsbereich 10 injiziert werden, die im Ausgang 140 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 110 gewonnen wurden. Außerdem kann die Schaltlogik 1, 4, 114 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 so eingestellt werden, dass die Spinpolarisationen S_Z ⁱⁿ verstärkt werden. Zum Beispiel können Spinpolarisationen „S_Z ^out“, die in dem Ausgangsbereich 40 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 detektierbar sind, entsprechend in Bezug auf Spinpolarisationen S_Z ⁱⁿ von Ladungsträgern verstärkt werden, die im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 gewonnen wurden.
Unter dem hierin verwendeten Begriff „verstärkt“ ist zu verstehen, dass die Komponente der Spinpolarisation S_Z ^out als Projektion entlang einer Richtung z (um einen bestimmten Verstärkungsfaktor) größer ist als die Komponente der Spinpolarisation S_Z ⁱⁿ als Projektion entlang derselben (oder auch einer anderen) Richtung. Um eine solche Verstärkung zu erreichen, muss die Stärke der in den Bereich 10 injizierten Spinpolarisation S_inj größer als der gewünschte Höchstwert der zu verstärkenden Komponente S_Z ⁱⁿ sein. Der hierin verwendete Begriff „Amplitude“ kann auch die Komponente einer Spinpolarisation als Projektion entlang einer bestimmten Richtung bezeichnen.
Die Verstärkung einer S_Z ⁱⁿ kann zum Beispiel erfolgen, indem zuerst die S_Z ⁱⁿ von Ladungsträgern, die im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 gewonnen wurden, unter Verwendung des Spin-Strom-Wandlers 114, 1 in einen Strom umgewandelt wird. Dann wird dieser Strom dazu verwendet, eine Spinpolarisation S_inj über den Eingangskontakt 1 in den Bereich 10 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 zu injizieren. Abschließend kann die injizierte S_inj unter Verwendung der Eigenschaften der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 bis zum Bereich 40 befördert werden, wo der ursprünglich aus der Spinpolarisation S_Z ⁱⁿ umgewandelte Strom schließlich in die Spinpolarisation S_Z ^out umgewandelt wird.
Wenn eine lineare Spinverstärkung gewünscht ist (7 in Zusammenhang mit 3), kann die Schaltlogik (z.B. durch konstruktive Maßnahmen oder durch Anlegen einer Spannung V) so kalibriert werden, dass sich für S_Z ⁱⁿ = 0 eine Spinpolarisation S_Z ^out = 0 ergibt. Zu beachten ist, dass die durch den Spin-Strom-Wandler 114 gewonnene Stromamplitude nicht nur von der Spinpolarisation im Bereich 140, sondern auch von der angelegten Spannung V (in Bezug auf das Massepotenzial am Kontakt 116) abhängt.
Wenn S_Z ⁱⁿ von null verschieden ist, ändern sich infolge der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung die Stromamplitude und somit der Rotationswinkel der Spinpolarisation bei S_Z ^out entsprechend. Demgemäß kann S_Z ^out (die auf der Ebene des Ausgangsbereichs 40 detektierbar ist) somit in Bezug auf S_Z ⁱⁿ verstärkt werden (die im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 gewonnen wird). Zu beachten ist, dass es infolge der über den Wandler 114, 1 wiederholt in dem Bereich 10 injizierten neuen, starken Spinpolarisation auch dann zur Verstärkung kommen kann, wenn die Spinpolarisationen im Bereich 40 normalerweise geringer sind als die Polarisationen im Bereich 10.
Gemäß Ausführungsformen speziell unter Bezugnahme auf 3 kann der Spin-Strom-Wandler 114, 1 einen spinsensitiven Widerstand 114 aufweisen, um die im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 gewonnene S_Z ⁱⁿ in eine Stromamplitude umzuwandeln. Der spinsensitive Widerstand 114, 1 kann zum Beispiel durch eine ferromagnetische Schicht und insbesondere an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und einer ferromagnetischen Kontaktschicht gebildet werden. Gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform nutzt der Spin-Strom-Wandler auch eine Halbleiterschicht 118 der Einheit 110. Zum Beispiel wird der spinsensitive Widerstand 114 wirksam an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht 118 der Einheit 110 und der ferromagnetischen Kontaktschicht 1 gebildet.
Gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen ist nur die Projektion der Spinamplitude entlang einer bestimmten Richtung von Bedeutung. Diese Richtung kann zum Beispiel durch die Magnetisierungsachse des ferromagnetischen Kontakts 1 definiert sein, die mit der Längsrichtung z in den 1 bis 4 zusammenfällt.
In 6 ist veranschaulicht, dass es sich bei der Spinpolarisation S_Z ^out von Ladungsträgern, die im Ausgangsbereich 40 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 detektierbar sind, üblicherweise um eine Schwingungsfunktion des elektrischen Stroms handelt, der den Momenten von Ladungsträgern zugehörig ist, die im Abgrenzungsbereich 8 wandern. Das folgt daraus, dass S_Z ^out = S_inj cos(φ) von v_D abhängt, z.B. gemäß der vorhergehenden Formel von φ. Die Größe S_inj bezieht sich auf den Grad der am Punkt A injizierten Spinpolarisation. Aus denselben Gründen handelt es sich bei der im Ausgangsbereich 40 detektierbaren Spinpolarisation S_Z ^out um eine Schwingungsfunktion von v_D (5) oder auch eine Schwingungsfunktion des zugehörigen Widerstands 8), wobei die Änderung des Widerstands im Wesentlichen z.B. von dem spinselektiven Kontakt 114 herrührt. Der Widerstand ist in Wirklichkeit auf den Reihenwiderstand aus dem spinabhängigen Widerstand 114 und allen anderen Widerständen bis zum Drain-Kontakt 40 zurückzuführen.
Wiederum kann die Schaltlogik 1, 4, 114 so eingestellt werden, dass ein linearer Bereich dieser Schwingungsfunktion genutzt wird. Demgemäß können Spinpolarisationen S_Z ⁱⁿ aus dem Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 so verstärkt werden, dass die daraus folgenden verstärkten Spinpolarisationen S_Z ^out von dem v_D zugehörigen Strom l im Wesentlichen linear abhängig sind (6). Dies wird hierin ausführlich erläutert.
Gemäß Ausführungsformen handelt es sich bei der Spintronik-Einheit 110 in dem System 200 (3) um eine spinorientierte Majoritätslogik-Einheit. Letztere wird üblicherweise so konfiguriert, um bekanntermaßen im Ausgangsbereich Ladungsträger mit einer bestimmten Spinpolarisation aufgrund einer Logikoperation in die Majoritätslogik-Einheit im Eingangsbereich injizierter Spinpolarisationen zu gewinnen. Es ist verständlich, dass das Schwingungsverhalten von Spinpolarisationen S_Z ^out auf vorteilhafte Weise genutzt und ein Nutzen so aus der Nichtlinearität dieser Funktion gezogen werden kann, dass bei bestimmten Werten der (im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit gewonnenen) Spinpolarisationen ein im Wesentlichen gleicher verstärkter Wert der Spinpolarisation gewonnen wird, der im Ausgangsbereich 40 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 detektierbar ist.
Bezug nehmend auf 8 kann zum Beispiel ein Spinverstärkungssystem bereitgestellt werden, wobei die Schaltlogik zum Verstärken bestimmter Sätze von Spinpolarisationswerten (und zwar [-αS₀/3, -αS₀] und [αS₀/3, αS₀]) eingestellt ist, die im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 verfügbar sind, wobei α ein Faktor des Spinpolarisationszerfalls ist. Zu beachten ist, dass in jedem der beiden Sätze die Werte (± αS₀/3, ± αS₀) der Spinpolarisationen voneinander verschieden und von gleichem Vorzeichen sind, während das Vorzeichen der Werte (-αS₀/3, - αS₀) des ersten Satzes dem Vorzeichen des zweiten Satzes entgegengesetzt ist.
Dennoch können aufgrund der Schwingungsfunktion für jeden der beiden Sätze verschiedene Werte der Spinpolarisationen (die im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit 110 gewonnen wurden) zu dem im Wesentlichen gleichen verstärkten Wert ± S₀ der Spinpolarisation (die im Ausgangsbereich 40 der Einheit 100 detektierbar ist) führen. Denn in 8 werden die Werte αS₀/3 und αS₀ jeweils zu S₀ und die Werte -αS₀/3 und -αS₀ jeweils zu -S₀ verstärkt. Dies wird hierin ausführlich erörtert.
Gemäß Ausführungsformen kann die Spintronik-Einheit 110 des Spinverstärkungssystems 200 als Logik-Gatter konfiguriert werden. Demgemäß kann es wünschenswert sein, eine Kaskade von Logik-Gattern (und ganz allgemein eine Kaskade von Majoritätslogik-Einheiten) zu erhalten, in der zwischenzeitliche Spinpolarisationen verstärkt werden müssen, was dank Ausführungsformen der Erfindung möglich ist.
Demgemäß kann das in 4 veranschaulichte Spinverstärkungssystem 200 von 3 mit einer zusätzlichen Spintronik-Einheit 120 aufgerüstet werden, die über die Ausgangseinheit 4 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 mit dieser verbunden ist. Bei der zusätzlichen Spintronik-Einheit 120 kann es sich wiederum um eine spinorientierte Majoritätslogik-Einheit handeln, um eine Kaskade von Majoritätslogik-Einheiten mit zwischenzeitlicher Wiederverstärkung von Spinpolarisationssignalen zu erhalten. Die zusätzliche Spintronik-Einheit 120 kann zum Beispiel als Logik-Gatter konfiguriert sein, um eine Kaskade von Logik-Gattern zu erhalten.
Gemäß einem anderen Aspekt kann die Erfindung als Verfahren zum Drehen (und möglicherweise Verstärken) von Spinpolarisationen realisiert werden. Das Verfahren verwendet eine Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erörtert wurde. Die Schritte solcher Verfahren sind im Grunde bereits unter Bezugnahme auf die entsprechende Einheit 100 und die Systeme 200 beschrieben worden und werden hier nur kurz erörtert. Im Wesentlichen drehen sich die vorliegenden Verfahren um einen Schritt, in dem Momente im Abgrenzungsbereich 8 wandernder Ladungsträger verändert werden (z.B. durch die oben beschriebene Schaltlogik 1,4), während Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich 10 der Einheit 100 injiziert werden.
Dies kann durch Anlegen einer Spannung V an den Abgrenzungsbereich 8 erreicht werden, um den Wert des den Abgrenzungsbereich 8 beeinflussenden Potenzials zu ändern und so Elektronen zu beschleunigen. Allerdings kann die angelegte Spannung gemäß einigen oben unter Bezugnahme auf die 3 und 7 erörterten Ausführungsformen (bei denen sich der im Kanal 8 fließende Strom trotzdem ändert) wie oben erwähnt konstant gehalten werden.
Oben wurde erläutert, dass es aufgrund der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung durch Ändern der Momente der wandernden Ladungsträger zur Drehung der Spinpolarisationen von Ladungsträgern kommt, die vom Eingangsbereich 10 zum Ausgangsbereich 40 wandern. Die Momente der Ladungsträger ändern sich gleichzeitig mit dem Injizieren des Spins. Gemäß Ausführungsformen kann das vorliegende Verfahren einen Schritt zum Detektieren der Spinpolarisationen von Ladungsträgern auf der Ebene des Ausgangsbereichs 40 aufweisen. Eine Detektion kann über die Ausgangseinheit 4 erfolgen. Hierin werden Aspekte der technischen Implementierung dieser Ausführungsform ausführlich beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 wurde bereits erörtert, dass Ausführungsformen der vorliegenden Verfahren ein System 200 verwenden, bei dem eine Spintronik-Einheit 110 mit dem Eingangsbereich 10 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 verbunden ist. Entsprechend einem durch einen Spin-Strom-Wandler 114, 1 erzeugten Strom können folglich Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich 10 dieser Einheit injiziert werden, die auf den Spinpolarisationen S_Z ⁱⁿ von Ladungsträgern beruhen, die im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 gewonnen wurden. Außerdem kann die Schaltlogik 1, 4, 114 so eingestellt werden, dass Spinpolarisationen S_Z ^out in Bezug auf die Spinpolarisationen S_Z ⁱⁿ verstärkt werden, die im Ausgangsbereich 40 der Einheit detektierbar sind.
Insbesondere sind die verstärkten Spinpolarisationen durch Nutzung eines linearen Bereichs der oszillatorischen Spinpolarisation im Wesentlichen linear von dem elektrischen Strom abhängig, der den wandernden Ladungsträgern zugehörig ist, siehe 7).
Andererseits kann es erwünscht sein, den nichtlinearen Bereich dieser Funktion zu nutzen, sodass bestimmte Werte der über die Eingangseinheit 1 injizierten Spinpolarisationen zu einem im Wesentlichen gleichen verstärkten Wert der Spinpolarisation S_Z ^out im Ausgangsbereich 40 der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit 100 führen. Dies wird hierin ausführlich erörtert.
Die obigen Ausführungsformen sind kurz unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden und können eine Anzahl von Varianten beinhalten. Es sind verschiedene Kombinationen der obigen Merkmale denkbar. Beispiele werden im nächsten Abschnitt angegeben.
Ausführungsform zur Strom-Spin-Wandlung
Durch hierin erörterte Ausführungsformen wird je nach Stromstärke die Umwandlung eines elektrischen Stroms in eine positive oder negative Spinpolarisation ermöglicht. Dem Fachmann dürfte klar sein, dass eine solche Funktionalität für spinorientierte elektronische Schaltkreise erwünscht ist. Außerdem kann diese Funktionalität vorteilhaft bei den hierin erörterten Ausführungsformen genutzt werden.
Die zugrundeliegende Einheit 100 (1, 2) weist ein zweidimensionales Ladungsträgersystem auf. In einem solchen System unterliegen die Ladungsträger (bei denen es sich im Folgenden um Elektronen handeln soll) einer kubischen Spin-Bahn-Wechselwirkung, d.h., die Spin-Bahn-Wechselwirkung hängt von der dritten Potenz des Moments der Elektronen ab. Das betrifft Ausführungsformen, bei denen Materialien wie beispielsweise III-V-Elektronensysteme, Silicium- und III-V-Lochsysteme, Perowskite und Übergangsmetall-Chalkogenide verwendet werden.
Es wird eine Ausführungsform bereitgestellt, bei der die Spin-Bahn-Wechselwirkung im Wesentlichen von dem kubischen Term abhängt. Wenn diese kubische Wechselwirkung gering ist, muss der Abstand zwischen den Kontakten 10, 40 vergrößert werden. Mit anderen Worten, sofern die Abmessungen der Einheit stimmen, kann die kubische Spin-Bahn-Wechselwirkung stark genug sein, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Im Gegensatz dazu kann es für eine vorgegebene kubische Spin-Bahn-Wechselwirkung erforderlich sein, die Abmessungen der Einheit anzupassen.
In einer solchen Einheit 100 hängt die Spinausrichtung am Punkt B von dem elektrischen Strom ab, der vom Punkt A, wo die Elektronen eine definierte Spinpolarisation haben, zum Punkt B fließt. Als Abstand zwischen den Punkten A und B soll die Dimension / gelten.
Aufgrund der Spin-Bahn-Wechselwirkung wirkt auf ein sich bewegendes Elektron ein effektives Magnetfeld ein, um das der Spin des Elektrons präzessiert. Im Fall einer linearen Spin-Bahn-Wechselwirkung hängt der Präzessionswinkel eines sich mit einer Wanderungsgeschwindigkeit v_D von A nach B bewegenden Spins nur von / ab; siehe Abschnitt 1. Im Fall einer nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung hingegen (z.B., wenn die Wechselwirkungsenergie von der dritten Potenz des Elektronenmoments abhängt) kann die Einheit als Spin-Strom-Wandler fungieren, da der Präzessionswinkel des Spins nicht nur von der zurückgelegten Strecke, sondern auch von der Geschwindigkeit abhängt.
Demgemäß ist die Amplitude S_z ^out eine Schwingungsfunktion, die von der Wanderungsgeschwindigkeit abhängt. Dies ist in 5 sowohl für den Idealfall (durchgezogene Linie) als auch für die Berücksichtigung der Spindiffusion veranschaulicht, bei der die Amplitude verringert ist (gestrichelte Linie, numerisch berechnet).
Genauer gesagt, die Kurven mit durchgezogenen Linien (in den 5, 6 und 8) wurden aus der in Abschnitt 1 gezeigten analytischen Formel erhalten, während die gestrichelten Linien von genaueren numerischen Berechnungen der Amplitude von S_z stammen, die die diffusionsbedingte Verbreiterung von Spins berücksichtigen. Aufgrund der Diffusion unterscheiden sich die Zeiten für das Zurücklegen der Strecke von A nach B für die einzelnen Spins voneinander. Bei Messung der mittleren Spinamplitude bei einer Strecke / ist die Amplitude aufgrund der Mittelung von Spins mit unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten verringert. 5 zeigt, dass dieser Effekt bei höheren Wanderungsgeschwindigkeiten stärker ausgeprägt ist. Logischerweise lässt sich dieser Trend auch in 6 erkennen, in der die Abhängigkeit der Amplitude S_z ^out vom Strom I veranschaulicht ist, der den wandernden Elektronen zugehörig ist.
Die obige Formel für den Präzessionswinkel ϕ kann so umgeformt werden, dass sie die Abhängigkeit von dem Strom l wiedergibt, der durch das System fließt (l = v_D e n_s b): $ϕ = - \frac{2 π m * n_{s}}{ℏ^{2}} γ l - \frac{m *^{3}}{e^{2} ℏ^{4}} \frac{γ}{n_{s}^{2}} \frac{l}{b^{2}} I^{2},$
wobei b gleich der Breite des Transportkanals und e gleich der Ladung eines einzelnen Elektrons ist.
S_z ^out ist in 6 als Funktion des Stroms dargestellt. 6 zeigt, dass es sich bei der Ausrichtung der Spinpolarisation aufgrund der Beziehung S_z ^out = S_inj cos(φ□) ebenfalls um eine Schwingungsfunktion handelt, somit können die Spins der entgegengesetzten Ausrichtung durch Änderung des Stroms erzeugt werden.
Die obige Abhängigkeit bietet umfangreiche Möglichkeiten für die Gestaltung von Funktionalitäten von spinorientierten Einheiten. Zum Beispiel bietet ein Arbeitspunkt bei einem Nullübergang von S_z ^out eine annähernd lineare Charakteristik der Spin-Strom-Wandlung und kann zur Spinverstärkung verwendet werden (7, Abschnitt 2.2). Außerdem kann auch die Nichtlinearität wirksam eingesetzt werden, zum Beispiel in Anwendungen der Majoritätslogik (8, Abschnitt 2.3).
1 zeigt eine mögliche Umsetzung einer Einheit 100, bei der die Spinpolarisation im Bereich 10 (d.h. am Punkt A) injiziert wird. Die Spininjektion kann zum Beispiel unter Verwendung eines ferromagnetischen Kontakts 1, möglicherweise in Verbindung mit einer Tunnelbarriere, erreicht werden. Der Strom für vorgegebene Werte von n_s, l und b hängt von der über einen Drain-Kontakt 4 und den ferromagnetischen Kontakt 1 an den Abgrenzungsbereich angelegten Spannung V ab.
Die Ausrichtung des Spins am Drain-Kontakt stellt ein Maß für den durch die Einheit fließenden Strom dar. Somit wirkt die Einheit 100 als Strom-Spin-Wandler.
Spinverstärkungseinheit auf der Grundlage der Ausführungsform einer Strom-Spin-Umwandlungseinheit
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Spinabschwächung bei spinorientierten Einheiten zum Problem werden. Insbesondere bleibt die Realisierung einer Kaskade von abhängigen Logikeinheiten schwierig, da die Spinpolarisation von Einheit zu Einheit schwächer wird.
Bei einem hierin bereitgestellten Ansatz wird eine Spinverstärkung unter Verwendung der folgenden Schritte ermöglicht: eine im Ausgangsbereich einer Spintronik-Einheit gewonnene Spinpolarisation wird in einen elektrischen Strom codiert; diese Information wird in einen elektrischen Strom umgewandelt und durch diesen weitergeleitet (möglicherweise über große Strecken) und dann durch einen hierin offenbarten Strom-Spin-Wandler wieder zurück in eine Spinpolarisation mit verstärkter Amplitude umgewandelt (Abschnitt 2.1).
3 zeigt eine schematische Skizze eines mit einer spinorientierten Logikverarbeitungseinheit (oder einer anderen Einheit, die eine Spinpolarisation ausgibt) verbundenen Strom-Spin-Wandlers (wie in 1) zum Verstärken der Spinpolarisation. Auch hier wird die Projektion von Spinpolarisationen S_z auf die Längsachse (Hauptachse) z betrachtet, die zum Beispiel durch die Magnetisierungsachse des ferromagnetischen Kontakts 1 definiert sein kann.
Das in 3 gezeigte System 200 ermöglicht es, die Projektion S_Z ⁱⁿ einer eingegebenen Spinpolarisation mittels eines Spin-Strom-Wandlers 114, 1 in einen elektrischen Strom umzuwandeln und den gewonnen Strom in den Strom-Spin-Wandler 100 einzuspeisen.
Eine mögliche Art, eine Spin-Strom-Wandlung zu erreichen, besteht darin, einen spinabhängigen Grenzflächenwiderstand 114 zwischen einem Halbleiter 118 und einem ferromagnetischen Kontakt 1 zu verwenden. Bei Varianten sind andere Spin-Strom-Wandlungsverfahren denkbar, die z.B. auf dem inversen Spin-Hall-Effekt beruhen.
In dem System 200 von 3 muss die im Ausgangsbereich 140 der Spintronik-Einheit 110 gewonnene Spinamplitude S_Z ⁱⁿ verstärkt werden. Zu diesem Zweck wird sie mittels des spinselektiven Kontakts 114 in einen Strom umgewandelt. Der gewonnene Strom wird dann über eine elektrische Verbindung (bei Bedarf auch über längere Strecken) zu einem Strom-Spin-Wandler 100 geleitet, der oben unter Bezugnahme auf 1 erörtert worden ist. In 3 wird der Strom direkt durch den ferromagnetischen Kontakt 1 geleitet. Es sind jedoch andere Ausführungsformen denkbar, die eine große räumliche Trennung zwischen den Bauelementen 110, 100 ermöglichen.
Dann werden entsprechend dem zuvor umgewandelten Strom an einem Spininjektionskontakt 1 Spins 2 am Punkt A in den Strom-Spin-Wandler 100 injiziert. Die Spinpolarisation S_inj am Punkt A wird durch den Wirkungsgrad der Spininjektion des Spininjektionskontakts 1 deutlich beeinflusst.
Der Widerstand an der Grenzfläche 114 hängt von der Spinamplitude S_Z ⁱⁿ der injizierten Spins ab. Zur Veranschaulichung soll von einem Strom-Spin-Wandler 114, 1 mit den folgenden Eigenschaften ausgegangen werden: R = R₀ (1 - Sel S_z ⁱⁿ), wobei R₀ gleich dem Basiswiderstand der Einheit für nichtpolarisierte Spins ist und Seldie Spinselektivität des Kontakts 114 bezeichnet (wobei der Höchstwert von Selgleich 1 ist). Somit hat der Strom-Spin-Wandler 114, 1 einen Widerstand R₀ für nichtpolarisierte Spins, einen Widerstand R₀ +Sel für S_z ⁱⁿ = -1 und einen Widerstand R₀ - Sel für S_z ⁱⁿ = +1.
Der zuvor beschriebene Strom-Spin-Wandler dreht die Spinpolarisation der Spins am Punkt A auf dem Weg zum Punkt B um einen Winkel $ϕ = - \frac{2 π m * n_{s}}{ℏ^{2}} γ l - \frac{m *^{3}}{e^{2} ℏ^{4}} \frac{γ}{n_{s}^{2}} \frac{l}{b^{2}} \frac{V^{2}}{R^{2}} .$
Da R von S_z ⁱⁿ abhängt, hängt S_z ^out von S_z ⁱⁿ ab.
Zur Auswahl geeigneter Materialparameter kann die Einheit auf einen Arbeitspunkt nahe einem Nullübergang der Eigenschaften des Strom-Spin-Wandlers eingestellt werden (siehe 6). Dann funktioniert die Einheit aufgrund einer annähernd linearen Eingangs-Ausgangs-Kennlinie als Spinverstärker.

Zum Beispiel führen die folgenden Parameter (Tabelle I) zu den in 7 dargestellten Kennlinien. Tabelle I

m*	0,067 * m_e	Effektive Elektronenmasse in GaAs
γ	10e-30 eVm²	Kubischer Spin-Bahn-Koeffizient in GaAs
n_s	1e15m^-2	Typische Elektronenschichtdicke in einem GaAs-Quantentopf
/	20e-6 m	Länge des Kanals
b	1e-6 m	Breite des Kanals
Ro	685,5 Ω	R₀ ist der Basiswiderstand der Einheit für nichtpolarisierte Spins
Sel	0,3	Widerstandszunahme, wenn ein Kanal von up zu down wechselt
Ds	0,003 m²/s	Spindiffusionskonstante
V	45 mV	An den kubischen Kanal angelegte (konstante) Spannung

Steilere Anstiege und somit höhere Verstärkungsfaktoren können durch Abstimmen der Parameter erreicht werden. Materialien mit stärkerer kubischer Spin-Bahn-Wechselwirkung, d.h. größere Werte für γ, ergeben größere Verstärkungsfaktoren.
Nichtlinearer Spinverstärker und nichtlineare Spinverstärkung in einer Majoritätslogik-Ausführungsform
Auf Majoritätslogik beruhende Konzepte stellen eine Beziehung zwischen der Spinpolarisation einer Anzahl von Eingangselektroden und der Spinpolarisation einer Ausgangselektrode her, wobei Ausgangs-Spinpolarisation eine Logikoperation der Spinpolarisation der einzelnen Eingangselektroden ist. Bei dem Majoritätslogik-Konzept ist der Ausgangswert durch das Vorzeichen der Ausgangspolarisation definiert, die einen Mittelwert der Eingangspolarisationen darstellt. Der Gesamtwert der Spinpolarisation an der Ausgangselektrode kann im Vergleich zu dem Wert der Spinpolarisation der Eingangselektroden verringert sein. Um eine Kaskade von Logik-Gattern zu betreiben, muss die Ausgangs-Spinpolarisation des Gatters n verstärkt werden, bevor sie als Eingangs-Spinpolarisation für das Gatter n + 1 dienen kann.
Es sind Entwürfe für solche Spinverstärker vorgeschlagen worden, die auf der Verwendung einer schwachen Spinpolarisation zum Ausrichten der Polarisation eines ferromagnetischen Materials mit einer Magnetisierung beruht, die sich in einem instabilen Gleichgewicht zwischen zwei stabilen Lagen mit entgegengesetzter Magnetisierung befindet.
Das System in diesem Unterabschnitt stellt eine Alternative für solche Entwürfe bereit. Es nutzt die Nichtlinearität eines oben beschriebenen Strom-Spin-Wandlers 100, um eine spinorientierte Majoritätslogik zu ermöglichen.
Auch hier wird die Projektion der Spinpolarisation S_z auf die Hauptachse z betrachtet, die durch die Magnetisierungsachse des ferromagnetischen Kontakts 1 von 3 definiert ist.
Die Majoritätslogik-Einheit 110 besteht aus mindestens drei getrennten Eingangskanälen und einem (nicht gezeigten) Ausgangskanal. Die Werte von S_z an den Eingangsbereichen des Majoritätslogik-Gatters sind entweder gleich +S₀ oder gleich -S₀. Der Ausgangswert der Majoritätslogik ist gleich dem Mittelwert der Eingangskanäle vermindert um einen Faktor α, der die Verringerung der Spinpolarisation während der Mittelwertbildung berücksichtigt.
Im Fall von drei Eingangskanälen hat der Ausgangswert eines Majoritätslogik-Gatters die folgenden möglichen Werte: + αS₀, - αS₀, + αS₀/3 oder -αS₀/3. Bei den beiden letzten Ergebnissen ist die Spinpolarisation um einen Faktor 2/3 verringert. Die höchstmögliche Ausgangsamplitude des Majoritätslogik-Gatters ist daher durch αS₀ gegeben.
Um in der Majoritätslogik eine Kaskade von Gattern zu ermöglichen, muss der Ausgangswert eines Gatters verstärkt werden, bevor er zum nächsten Gatter weitergeleitet wird, sodass jeder der Werte αS₀ und αS₀/3 auf S₀ und die Werte -αS₀ und -αS₀/3 jeweils auf -S₀ (Mehrheitsentscheidung) verstärkt werden.
Daher kann ein System verwendet werden, das dem von 3 ähnlich ist, wobei es sich bei der verbundenen Einheit 110 um eine spinorientierte Majoritätslogik-Einheit handelt. Der Ausgangswert der Majoritätslogik-Operation ist somit mit dem Eingangswert S_z ⁱⁿ des in Abschnitt 2.2 beschriebenen Spinverstärkersystems verbunden.
Im vorhergehenden Unterabschnitt wurde beschrieben, dass bei dem Widerstand des Spinverstärkers von einem durch die Beziehung R = R₀ (1 - Sel S_z ⁱⁿ) gegebenen Wert ausgegangen werden kann. Somit hängt der Widerstand der Einheit vom Ergebnis der Majoritätslogik-Operation gemäß folgender Tabelle ab:
Am Punkt A wird durch den Spininjektionskontakt ein Spin mit einer Spinpolarisation S_inj injiziert. Das System 200 (3) und die Materialparameter sind so gewählt, dass eine Mehrheitsentscheidung erreicht wird. Das wird ermöglicht, indem die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie des Spinverstärkers auf den nichtlinearen Bereich ausgedehnt wird, was in 8 veranschaulicht ist.
Ein geeigneter Satz von Parametern ist zum Beispiel in Tabelle I bis auf den Widerstand R gegeben, bei dem für den Fall (up, up, up) vom einem Wert gleich 800 Ω ausgegangen wird. In 8 sind die entsprechenden Kennlinien dargestellt (gestrichelte Linien geben die vier möglichen Ergebnisse der Majoritätslogik-Operation an).
Die folgende Tabelle (Tabelle III) zeigt eine Übersicht über die Logikoperationen für diesen speziellen Satz von Parametern. Durch Abstimmen solcher Parameter und/oder andere Materialien als GaAs kann die Leistungsfähigkeit der Operationen in Bezug auf die Größe von S_z ^out und das Erreichen des Kriteriums der Mehrheitsentscheidung verbessert werden.
Zu beachten ist, dass S_z ^out gleich dem Ausgangswert des Verstärkers und gleichzeitig gleich dem Eingangswert des folgenden Majoritätslogik-Gatters 120 ist (für das S₀ = S_z ^out ist) und so weiter, um eine Kaskade von Logik-Gattern zu erhalten.
Das obige Beispiel zeigt eine Mehrheitsentscheidung mit vier möglichen Eingangszuständen. Bei Majoritätslogik-Gattern kommt es oft vor, dass nur drei von vier Eingangszuständen vorkommen. In der folgenden Logik-Tabelle (Tabelle IV) ist ein OR-Logik-Gatter veranschaulicht, wo einer der drei Eingangszustände ständig gleich 1 gesetzt ist. Es kommen nur die Ausgangspolarisationen αS₀, αS₀/3 und - αS₀/3 vor. Dadurch wird es leichter, geeignete Parameter zum Durchsetzen der Mehrheitsentscheidung zu finden.
Bezug nehmend auf die 1 bis 3 enthält der Abgrenzungsbereich 8 eine Spintransportschicht (oder STL) oberhalb eines Substrats. Die STL kann durch Halbleiterschichten 7, 8 und 9 erhalten werden, die das 2D-Elektronengas aufnehmen. Das 2D-Elektronengas kann zum Beispiel auf einen Quantentopf, z.B. auf die Halbleiterschicht 8, begrenzt sein, wo sich die Elektronen in niedrigeren Energiezuständen als in den benachbarten Schichten 7 und 9 befinden. Bei Varianten kann das 2D-Elektronengas an einer Grenzfläche, d.h. zwischen der Schicht 8 und entweder der Schicht 7 oder der Schicht 9, angeordnet sein. Die Elektronen in diesem 2D-Elektronengas sind üblicherweise durch Dotanden in den Schichten 7, 8 und/oder 9 bereitgestellt. Bei dem Material solcher Halbleiterschichten kann es sich um Legierungen oder ternäre Legierungen von III-V-Materialien (z.B. GaAs, AlAs, InAs, InP oder InSb) oder auch um II-VI-Materialien (z.B. CdSe, CdTe oder ZnSe) handeln.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das 2D-Elektronengas innerhalb einer einzigen Halbleiterschicht an der Grenzfläche zu einer angrenzenden isolierenden oder metallischen Schicht gebildet sein, und Elektronen werden unter Verwendung eines elektrischen Feldes durch den Feldeffekt bereitgestellt. Außerdem kann bei Bedarf ein senkrecht an die Schicht angelegtes elektrisches Feld zum Einrichten des Systems verwendet werden.
Wie oben erwähnt, sind mit dem 2D-Elektronengas Eingangs- und Ausgangselektroden 1, 4 verbunden. Die Eingangselektroden dienen als Spininjektionskontakte und bestehen aus einem magnetischen Material, das in einer von zwei Richtungen magnetisiert ist, d.h. Spin up oder Spin down, was durch den Verweis 2 in den 1, 2 angezeigt ist. Bei dem Beispiel von 1 verläuft die Injektionsrichtung entlang der Richtung z. Durch Leiten eines Stromes zwischen den Eingangselektroden und dem 2D-Elektronengas können in einem bestimmten Injektionsbereich 10, z.B. an der Grenzfläche zwischen der Eingangselektrode und dem 2D-Elektronengas, spinpolarisierte Elektronen in dem 2D-Elektronengas gesammelt werden. Die Spinpolarisation der Elektronen an dieser Stelle in dem 2D-Elektronengas hängt direkt von der Magnetisierung der Eingangselektrode ab, d.h., die Spins in dem 2D-Elektronengas sind entweder up oder down. Die Ausgangselektroden 4 können dazu verwendet werden, die lokale Spinpolarisation in dem Ausgangsbereich (üblicherweise an der Grenzfläche zwischen dem 2D-Elektronengas und der Ausgangselektrode) entweder in ein elektrisches Signal oder in einen Magnetisierungszustand einer anderen Eingangselektrode umzuwandeln: bei Letzterer kann es sich um die Ausgangselektrode oder eine andere nahe gelegene Elektrode handeln, die die Spinpolarisation des 2D-Elektronengases an der Grenzfläche aufnimmt.
Zwischen den Eingangs- und Ausgangselektroden breitet sich die durch die Eingangselektrode aufgeprägte Spinpolarisation durch Wanderung (sowie auch durch Diffusion) in dem 2D-Elektronengas aus.
Die Spins der Elektronen in einem 2D-Elektronengas, das sich in einer Halbleiter-Heterostruktur befindet, sind einer Spin-Bahn-Wechselwirkung (SOI) ausgesetzt. Es gibt zwei Beiträge zur SOI. Ein Beitrag stammt von der Festkörper-Inversionsasymmetrie z.B. von III-V- und II-VI-Halbleitermaterialien (BIA). Der zweite Beitrag stammt von der Struktur-Inversionsasymmetrie (SIA), die durch Auswahl verschiedener Materialien für die Schichten 7, 8, 9 in 1 oder verschiedener Dotandenkonzentrationen auf den beiden Seiten 7 und 9 des 2D-Elektronengases gestaltet werden kann.
Die Periode der Spinoszillation ist durch die Spin-Bahn-Länge l_s bestimmt, die durch die Stärke der SOI und die Masse des Elektrons bestimmt ist. Die Spin-Bahn-Länge kann bei typischen III-V- und II-VI-Materialien im Bereich von 10 nm bis 10 µm liegen. Sie kann bis zu einem bestimmten Maß durch Gate-Elektroden oberhalb und/oder unterhalb des 2D-Elektronengases abgestimmt werden.
Im Folgenden ist eine praktikable Reihenfolge von Halbleiterschichten (von unten nach oben) gezeigt, die z.B. durch Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen wurden:

- Substrat: GaAs-(001) Wafer;
- Schicht 9 kann nacheinander aufweisen
- ○ 500 nm Al_0,3Ga_0,7As
- ○ Si-Dotierung in einer Deltaschicht, ~ 6 10¹¹ cm^-2; und
- ○ 20 nm Al_0,3Ga_0,7As
- Die mittlere Schicht 8 kann 12 nm GaAs aufweisen; und
- Schicht 7 schließlich kann zerfallen in:
- ○ 90 nm Al_0,3Ga_0,7As, und
- ○ 5nm GaAs.

Typische Stromstärken/Spannungen zum „Anregen“ der Elektroden hängen von der speziellen Gestaltung der Spininjektionskontakte ab. Im vorliegenden Fall kann der verwendete Begriff „Anregen“ der Elektrode üblicherweise bedeuten:

- Leiten eines elektrischen Stroms zwischen der ferromagnetischen Elektrode 1 und dem 2D-Elektronengas (möglicherweise unter Einbeziehung zweiter Kontakte zwischen dem 2D-Elektronengas und dem ferromagnetischen Kontakt). Die Polarisationsrichtung der Spins (entlang der Magnetisierung der Elektrode oder entgegengesetzt) ist durch die Richtung des Stroms bestimmt. Alternativ kann die Magnetisierung der Elektrode durch ein lokales Magnetfeld oder ein Spintransfermoment umgekehrt werden;
- Anregen spinpolarisierter Elektronen in das Leitungsband unter Verwendung zirkular polarisierter Photonen. Die Helizität der zirkularen Polarisation (rechtszirkular oder links-zirkular polarisiert) entscheidet über die Richtung der angeregten Spinpolarisation; oder
- jede andere Technik, die zur Erzeugung einer lokalen Spinpolarisation führt, d.h. strominduzierte Spinpolarisation, spinabhängiges Tunneln usw.

Ein Auslesen des Spins am Ausgangsbereich erfolgt zum Beispiel durch Messen eines Stroms zwischen dem 2D-Elektronengas und einer ferromagnetischen Schicht 1. Bei einer bestimmten Spannung ist der Strom je nach der Richtung der Spinpolarisation in dem 2D-Elektronengas unterhalb der Ausgangselektrode in Bezug auf die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht höher oder niedriger.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Drehen der Spinpolarisation in einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit, die aufweist: einen Ausgangsbereich, der so konfiguriert ist, dass er allfällig darin wandernde Ladungsträger abgrenzt und darin wandernde Ladungsträger einer nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung zu unterzieht, wodurch eine Spinpolarisation wandernder Ladungsträger zu einer Drehung um einen Winkel veranlasst wird, der nichtlinear von Momenten solcher Ladungsträger abhängt; und eine Schaltlogik, wobei Letztere aufweist: eine Eingangseinheit, die zum Injizieren von Spinpolarisationen in Ladungsträger in einem Eingangsbereich des Abgrenzungsbereichs anregbar ist; und eine Ausgangseinheit, die zum Detektieren der Spinpolarisationen von Ladungsträgern in einem Ausgangsbereich des Abgrenzungsbereichs verwendbar ist und während des Injizierens von Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich durch die Schaltlogik Momente in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger verändert, um Spinpolarisationen der wandernden Ladungsträger infolge der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung zu drehen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner auf: Detektieren der Spinpolarisationen von Ladungsträgern in dem Ausgangsbereich. Gemäß einer Ausführungsform werden die Momente von Ladungsträgern durch Anlegen einer Spannung an den Abgrenzungsbereich verändert.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner auf: Bereitstellen einer Spintronik-Einheit, die zum Gewinnen von Ladungsträgern mit bestimmten Spinpolarisationen in einem Ausgangsbereich derselben konfiguriert ist, wobei die Schaltlogik einen Spin-Strom-Wandler aufweist, der die Spintronik-Einheit mit dem Eingangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit koppelt, und wobei das Injizieren der Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich der Letzteren aufweist: Injizieren von Spinpolarisationen entsprechend einem durch den Spin-Strom-Wandler auf der Grundlage der bestimmten Spinpolarisationen von Ladungsträgern, die in dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit gewonnen wurden, erzeugten Strom.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner auf: Einstellen der Schaltlogik zum Verstärken der Spinpolarisationen in Bezug auf Spinpolarisationen von Ladungsträgern in dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit derart, dass sie in dem Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist die bereitgestellte Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit so konfiguriert, dass es sich bei einer in dem Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbaren Spinpolarisation um eine Schwingungsfunktion eines elektrischen Stroms handelt, der Momenten in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger zugehörig ist, und wobei die Schaltlogik so eingestellt ist, dass Spinpolarisationen aus dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit in einem linearen Bereich der Schwingungsfunktion verstärkt werden, damit daraus gewonnene verstärkte Spinpolarisationen vom dem elektrischen Strom im Wesentlichen linear abhängig sind.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der bereitgestellten Spintronik-Einheit um eine spinorientierte Majoritätslogik-Einheit, die zum Gewinnen von Ladungsträgern mit einer bestimmten Spinpolarisation entsprechend einer Logikoperation von Spinpolarisationen als Ausgabewert konfiguriert ist, die als Eingabewerte der Majoritätslogik-Einheit injiziert wurden; und die bereitgestellte Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit ist so konfiguriert, dass es sich bei einer im Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbaren Spinpolarisation von Ladungsträgern um eine Schwingungsfunktion des elektrischen Stroms handelt, der in dem Abgrenzungsbereich und dem Spin-Strom-Wandler wandernden Ladungsträgern zugehörig ist, und wobei das Einstellen der Schaltlogik so erfolgt, dass im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit gewonnene Spinpolarisationen in einem nichtlinearen Bereich der Schwingungsfunktion verstärkt werden, sodass bestimmte Werte über die Eingangseinheit injizierter Spinpolarisationen aufgrund der Schwingungsfunktion zu einem im Wesentlichen gleichen verstärkten Wert der Spinpolarisation im Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit führen.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Einstellen der Schaltlogik so, dass zwei Sätze von Werten im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit gewonnener Spinpolarisationen verstärkt werden, und wobei die Werte der Spinpolarisationen in jedem der beiden Sätze voneinander verschieden und von gleichem Vorzeichen sind, während die Werte der Spinpolarisationen eines der beiden Sätze ein Vorzeichen haben, das dem Vorzeichen der Werte der Spinpolarisationen des anderen der beiden Sätze entgegengesetzt ist, sodass für jeden der beiden Sätze aufgrund der Schwingungsfunktion im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verschiedene Werte von Spinpolarisationen mit einem im Wesentlichen gleichen verstärkten Wert der Spinpolarisation gewonnen werden, die in dem Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbar sind.
Zu den technischen Effekten und Vorteilen einiger Ausführungsformen gehört ein Bereitstellen der Umwandlung eines elektrischen Stroms in eine gewünschte Spinpolarisation. Andere Ausführungsformen nutzen einen linearen Bereich der Funktion, sodass die verstärkten Spinpolarisationen von dem elektrischen Strom linear abhängig sein können, der wandernden Ladungsträgern zugehörig ist. Weitere Ausführungsformen stellen Vorteile bei der Strom-Spin-Wandlung oder der Spinverstärkung bereit.
Die hierin verwendeten Begriffe dienen nur der Beschreibung einzelner Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Die hierin verwendeten Einzahlformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ sollen auch die Mehrzahlformen beinhalten, sofern aus dem Zusammenhang nicht eindeutig anderes hervorgeht. Ferner ist klar, dass die Begriffe „weist auf“ und/oder „aufweisend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten bezeichnen, jedoch das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Aktionen und Entsprechungen aller Mittel oder Schritte zuzüglich Funktionselemente in den folgenden Ansprüchen sollen alle Strukturen, Materialien oder Aktionen zum Ausführen der Funktion in Verbindung mit anderen ausdrücklich beanspruchten Elementen beinhalten. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist zur Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt worden, erhebt jedoch nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder Beschränkung auf die Erfindung in der offenbarten Form. Dem Fachmann sind zahlreiche Modifikationen und Varianten offensichtlich, ohne vom Schutzumfang und Wesensgehalt der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Grundgedanken der Erfindung und die praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern und anderen Fachleuten das Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu ermöglichen, die für die jeweils vorgesehene Verwendung geeignet sind.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind zur Veranschaulichung vorgelegt worden, erheben jedoch nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder Beschränkung auf die offenbarten Ausführungsformen. Dem Fachmann sind viele Modifikationen und Varianten offensichtlich, ohne vom Schutzumfang und Wesensgehalt der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendeten Begriffe wurden gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber handelsüblichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder anderen Fachleuten das Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen zu ermöglichen.

Claims

Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit, die aufweist: einen Abgrenzungsbereich; und eine Schaltlogik, wobei Letztere aufweist: eine Eingangseinheit, die zum Injizieren von Spinpolarisationen in Ladungsträger in einem Eingangsbereich des Abgrenzungsbereichs anregbar ist; und eine Ausgangseinheit, die zum Detektieren der Spinpolarisationen von Ladungsträgern in einem Ausgangsbereich des Abgrenzungsbereichs konfiguriert ist, und wobei der Abgrenzungsbereich so konfiguriert ist, dass darin wandernde Ladungsträger einer nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung ausgesetzt sind, durch die eine Spinpolarisation wandernder Ladungsträger um einen Winkel gedreht wird, der von Momenten solcher Ladungsträger nichtlinear abhängt; und die Schaltlogik so konfiguriert ist, dass Momente in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger verändert werden, während Spinpolarisationen in den Eingangsbereich injiziert werden, sodass Spinpolarisationen in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger aufgrund der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung gedreht werden.
Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit nach Anspruch 1, wobei der Abgrenzungsbereich so konfiguriert ist, dass darin wandernde Ladungsträger einer kubischen Spin-Bahn-Wechselwirkung ausgesetzt sind, wobei eine Energie einer Wechselwirkung von einer dritten Potenz der Momente der Ladungsträger abhängt.
Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Eingangseinheit einen ferromagnetischen Kontakt aufweist, der elektrisch mit dem Abgrenzungsbereich verbunden ist.
Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltlogik so konfiguriert ist, dass sie eine Spannung an den Abgrenzungsbereich anlegt, damit sich ein elektrischer Strom, der Momenten in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger zugehörig ist, entsprechend der durch die Schaltlogik angelegten Spannung ändert.
Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Eingangseinheit einen ferromagnetischen Kontakt aufweist, der elektrisch mit dem Abgrenzungsbereich verbunden ist; und die Ausgangseinheit einen Drain-Kontakt aufweist, der elektrisch mit dem Abgrenzungsbereich verbunden ist, und wobei die Schaltlogik so konfiguriert ist, dass sie über den Drain-Kontakt und den ferromagnetischen Kontakt eine Spannung an den Abgrenzungsbereich anlegt.
Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abgrenzungsbereich eine Abgrenzungsschicht aufweist, die zum Abgrenzen von Ladungsträgern im Wesentlichen in einem zweidimensionalen Bereich konfiguriert ist.
Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Abgrenzungsbereich nichtmagnetische Halbleiterschichten aufweist.
Spinverstärkungssystem, das aufweist: die Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und eine Spintronik-Einheit, die zum Gewinnen von Ladungsträgern mit bestimmten Spinpolarisationen in einem Ausgangsbereich derselben konfiguriert ist, und wobei: die Schaltlogik einen Spin-Strom-Wandler aufweist, der die Spintronik-Einheit mit dem Eingangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit koppelt, sodass Spinpolarisationen entsprechend einem Strom in dem Eingangsbereich injiziert werden können, der auf der Grundlage der Spinpolarisationen von Ladungsträgern erzeugt wurde, die in dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbar sind; und die Schaltlogik ferner so konfiguriert ist, dass sie in dem Ausgangsbereich detektierbare Spinpolarisationen in Bezug auf Spinpolarisationen von Ladungsträgern verstärkt, die in dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbar sind.
Spinverstärkungssystem nach Anspruch 8, wobei der Spin-Strom-Wandler einen spinsensitiven Widerstand enthält, der so angeordnet ist, dass der Spin-Strom-Wandler eine Spinpolarisation von Ladungsträgern, die in dem Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbar sind, in einen Strom umwandelt.
Spinverstärkungssystem nach Anspruch 9, wobei der Spin-Strom-Wandler eine Halbleiterschicht und eine ferromagnetische Kontaktschicht aufweist und der spinsensitive Widerstand durch eine Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und der ferromagnetischen Kontaktschicht gebildet ist.
Spinverstärkungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei: die Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit so konfiguriert ist, dass sie Spinpolarisationen von Ladungsträgern bereitstellt, die in dem Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbar sind und eine Schwingungsfunktion eines elektrischen Stroms darstellen, der Momenten in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger zugehörig ist; und die Schaltlogik so konfiguriert ist, dass sie Spinpolarisationen aus dem Ausgangsbereich in einem linearen Bereich der Schwingungsfunktion verstärkt, damit resultierende verstärkte Spinpolarisationen im Wesentlichen linear von dem elektrischen Strom abhängig sind.
Spinverstärkungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei es sich bei der Spintronik-Einheit um eine spinorientierte Majoritätslogik-Einheit handelt, die so konfiguriert ist, dass sie im Ergebnis einer Logikoperation von Spinpolarisationen, die als Eingangswerte der Majoritätslogik-Einheit injiziert wurden, als Ausgangswert Ladungsträger mit einer bestimmten Spinpolarisation gewinnt.
Spinverstärkungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei: die Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit so konfiguriert ist, dass sie eine Spinpolarisation von Ladungsträgern bereitstellt, die in dem Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbar sind und eine Schwingungsfunktion eines elektrischen Stroms darstellen, der Momenten in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger zugehörig ist; und die Schaltlogik so konfiguriert ist, dass sie im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbare Spinpolarisationen in einem nichtlinearen Bereich der Schwingungsfunktion verstärkt, sodass bestimmte Werte im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbarer Spinpolarisationen aufgrund der Schwingungsfunktion zu einem im Wesentlichen gleichen verstärkten Wert von Spinpolarisationen führen, die in dem Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbar sind.
Spinverstärkungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Schaltlogik so konfiguriert ist, dass sie zwei Sätze der Werte von Spinpolarisationen verstärkt, die im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbar sind, wobei die Werte von Spinpolarisationen in jedem der beiden Sätze voneinander verschieden und von gleichem Vorzeichen sind, während die Werte von Spinpolarisationen eines der beiden Sätze ein Vorzeichen haben, das dem Vorzeichen der Werte von Spinpolarisationen des anderen der beiden Sätze entgegengesetzt ist, sodass für jeden der beiden Sätze verschiedene Werte von Spinpolarisationen, die im Ausgangsbereich der Spintronik-Einheit verfügbar sind, aufgrund der Schwingungsfunktion zu einem im Wesentlichen gleichen verstärkten Wert von Spinpolarisationen führen, die in dem Ausgangsbereich der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit detektierbar sind.
Spinverstärkungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Spintronik-Einheit als Logik-Gatter konfiguriert ist.
Spinverstärkungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 15, das eine weitere Spintronik-Einheit aufweist, die über die Ausgangseinheit der Letzteren mit der Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit verbunden ist.
Spinverstärkungssystem nach Anspruch 16, wobei die Spintronik-Einheit ferner als Logik-Gatter konfiguriert ist.
Verfahren zum Drehen der Spinpolarisation in einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Spin-Bahn-Kopplungs-Einheit, die aufweist: einen Abgrenzungsbereich, der so konfiguriert ist, dass allfällig darin wandernde Ladungsträger abgegrenzt werden und darin wandernde Ladungsträger einer nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung ausgesetzt werden, die eine Drehung einer Spinpolarisation von wandernden Ladungsträgern um einen Winkel veranlasst, der nichtlinear von Momenten solcher Ladungsträger abhängt; und eine Schaltlogik, wobei Letztere aufweist: eine Eingangseinheit, die zum Injizieren von Spinpolarisationen in Ladungsträger in einem Eingangsbereich des Abgrenzungsbereichs anregbar ist; und eine Ausgangseinheit, die zum Detektieren der Spinpolarisationen von Ladungsträgern in einem Ausgangsbereich des Abgrenzungsbereichs verwendbar ist, und Verändern der Momente in dem Abgrenzungsbereich wandernder Ladungsträger, während Spinpolarisationen in dem Eingangsbereich injiziert werden, sodass Spinpolarisationen wandernder Ladungsträger aufgrund der nichtlinearen Spin-Bahn-Wechselwirkung gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner ein Detektieren der Spinpolarisationen von Ladungsträgern in dem Ausgangsbereich aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19, wobei das Verändern der Momente von Ladungsträgern ein Anlegen einer Spannung an den Abgrenzungsbereich aufweist.