專利名稱：量子磁性存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲(chǔ)系統(tǒng)，特別涉及采用自旋極化電子束向磁性存儲(chǔ)系統(tǒng)中寫入數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在常規(guī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占優(yōu)勢(shì)的海量存儲(chǔ)器件是硬盤驅(qū)動(dòng)器。硬盤驅(qū)動(dòng)器是能存儲(chǔ)幾十千兆位數(shù)據(jù)的相對(duì)大的機(jī)電裝置。所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)通過位于快速旋轉(zhuǎn)盤上方的空氣墊上的讀/寫磁頭來存取。讀/寫磁頭快速移動(dòng)以便存取旋轉(zhuǎn)盤的不同磁道中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移受到盤旋轉(zhuǎn)速度和讀/寫磁頭定位在所需要的磁道上的速度的限制。即使利用最快的裝置，存取時(shí)間也為幾千微秒數(shù)量級(jí)，這是由于相對(duì)大的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和所引起的慣性造成的。這個(gè)時(shí)間量至少比處理器操作的納秒時(shí)間量慢五個(gè)數(shù)量級(jí)。該偏差使處理器極需數(shù)據(jù)。
可提供比現(xiàn)有可得到的海量存儲(chǔ)器件更高的數(shù)據(jù)密度和更快的存取時(shí)間的一種建議的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用自旋極化電子以便從存儲(chǔ)介質(zhì)讀取數(shù)據(jù)和向存儲(chǔ)介質(zhì)記錄數(shù)據(jù)。電子束可由帶電粒子光學(xué)器件控制，該光學(xué)器件的操作時(shí)間量更接近于處理器的操作時(shí)間量。美國(guó)專利US5546337和564706介紹了一種采用自旋極化電子向存儲(chǔ)介質(zhì)記錄和轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。所公開的系統(tǒng)從涉及介質(zhì)上的不同存儲(chǔ)位置的磁矩散射自旋極化電子束，以便從這些位置讀取數(shù)據(jù)和可論證地給這些位置記錄數(shù)據(jù)。
該公開系統(tǒng)的一個(gè)問題是提供所希望的磁性的存儲(chǔ)介質(zhì)的特性難以改變這些磁性，即采用電子束記錄數(shù)據(jù)。典型存儲(chǔ)介質(zhì)包括淀積在導(dǎo)電非磁性材料層上的相對(duì)薄的磁性材料，如鐵(Fe)。這個(gè)組合材料層產(chǎn)生量子阱。采用薄層磁性材料強(qiáng)加了磁性層平面以外的易磁化軸。得到的垂直磁化支持了致密包封的磁疇，其表示單獨(dú)的數(shù)據(jù)位，例如存儲(chǔ)區(qū)域。
存儲(chǔ)區(qū)域的薄磁性層用從位于存儲(chǔ)介質(zhì)上面幾毫米的源發(fā)射的自旋極化電子束照射。源與介質(zhì)的分離提供了時(shí)間和空間以控制電子束到達(dá)指定存儲(chǔ)區(qū)域。但是，這種結(jié)構(gòu)還以入射直角或接近直角即垂直于磁性層的最薄尺寸給磁性層輸送電子束。因此被電子束采樣的磁性層的體積(“相互作用體積”)相對(duì)小，并且耦合電子束的磁性層中的電子的數(shù)量(“耙電子”)同樣很少。
另外一個(gè)問題是電子束源產(chǎn)生幾十電子伏特(eV)的電子能量。在這些能量，被由磁性層形成的量子阱束縛的入射電子的概率大大減小。因此薄層磁性材料、法向入射電子束和高電子能量的組合限制了自旋極化電子束和耙電子之間的耦合強(qiáng)度。
為了倒轉(zhuǎn)涉及存儲(chǔ)區(qū)域的自旋狀態(tài)，在自旋松弛機(jī)構(gòu)恢復(fù)現(xiàn)狀之前，向上自旋和向下自旋電子的相對(duì)數(shù)量必須顛倒。在鐵磁材料中，電子之間的互換作用使主要自旋狀態(tài)比少數(shù)自旋狀態(tài)更穩(wěn)定。如果相對(duì)小部分的主要自旋狀態(tài)與自旋極化電子束互相作用，則由電子束觸發(fā)的任何自旋倒轉(zhuǎn)將由自旋松弛機(jī)構(gòu)修正。
因此有效的自旋倒轉(zhuǎn)需要自旋極化電子的入射束與磁性材料中的大量電子(耙電子)在相對(duì)段時(shí)間內(nèi)互相作用。電子束必須在自旋松弛時(shí)間內(nèi)影響臨界數(shù)量的耙電子，或者主要自旋狀態(tài)將恢復(fù)本身。
已經(jīng)研制了允許自旋極化電子和磁性材料中的耙電子之間的耦合的系統(tǒng)，以便倒轉(zhuǎn)多數(shù)自旋狀態(tài)。
例如，掃描隧道顯微鏡(STMs)采用位于磁性層表面幾埃()內(nèi)的掃描末端。掃描末端可以被修改以使自旋極化電子從末端通過隧道效應(yīng)進(jìn)入介質(zhì)。STMs可發(fā)射電子進(jìn)入具有基本上低于1eV的能量的耙材料。結(jié)果是，自旋極化電子趨于被由磁性層形成的量子阱捕獲，并沿著該層橫向移動(dòng)，允許每個(gè)入射電子在它離開磁性材料之前與耙電子耦合。STMs可以提供自旋極化電流密度，例如每平方納米幾微安。量子阱捕獲和極高電流密度的結(jié)合已經(jīng)被證明以倒轉(zhuǎn)薄磁性層的磁性方向。
STM幾何結(jié)構(gòu)和物理移動(dòng)機(jī)構(gòu)不適合于高性能存儲(chǔ)介質(zhì)應(yīng)用。例如，掃描端部靠近表面限制了存儲(chǔ)介質(zhì)的面積，這可能通過偏轉(zhuǎn)電子束來掃描。此外，STM掃描技術(shù)相對(duì)于介質(zhì)移動(dòng)整個(gè)STM裝置，因此對(duì)于處理器的應(yīng)用來說它們太慢了。
本發(fā)明解決了關(guān)于采用自旋極化電子束向磁性介質(zhì)記錄數(shù)據(jù)的這些和其它問題。
附圖的簡(jiǎn)要說明下面將參照附圖理解本發(fā)明，附圖中相同的元件用相同的標(biāo)號(hào)表示。提供這些附圖用以表示本發(fā)明的被選實(shí)施例，但是并不限制本發(fā)明的范圍。


圖1A示意性地表示采用自旋極化電子束讀取和記錄磁性介質(zhì)的系統(tǒng)。
圖1B是采用圖1A的系統(tǒng)的常規(guī)磁性記錄介質(zhì)的方框圖。
圖2是表示鐵磁材料的自旋相關(guān)的透射性能的簡(jiǎn)化能帶模型。
圖3表示對(duì)于具有平行和反平行自旋的電子對(duì)的質(zhì)量散射振幅的中心。
圖4A示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的包括自旋相關(guān)電子收集器的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
圖4B是圖4A的自旋相關(guān)電子收集器的一個(gè)實(shí)施例的更詳細(xì)的示意圖。
圖5是表示作為其動(dòng)能的函數(shù)的固態(tài)電子平均自由程。
圖6A是適用于本發(fā)明的半金屬化材料的簡(jiǎn)化能帶模型。
圖6B表示用于半金屬化材料NiMnSb的狀態(tài)數(shù)據(jù)的計(jì)算密度。
發(fā)明的詳細(xì)說明下面的詳細(xì)說明用于提供發(fā)明的全面理解。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員都明白可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，為了將注意力集中在本發(fā)明的特征上，沒有詳細(xì)說明各種公知方法、程序、部件和電路。
本發(fā)明提供一種采用自旋極化電子從存儲(chǔ)介質(zhì)讀取數(shù)據(jù)和向存儲(chǔ)介質(zhì)記錄數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)采用促進(jìn)射束的自旋極化電子(“射束電子”)和存儲(chǔ)介質(zhì)中的磁性層的電子(“目標(biāo)電子”)之間的增強(qiáng)耦合。特定自旋極化的射束電子優(yōu)先被捕獲在包括磁性層的容積內(nèi)，允許每個(gè)射束電子與具有相反自旋極化的多個(gè)目標(biāo)電子進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移碰撞。
優(yōu)先被捕獲的射束電子的自旋極化由在目標(biāo)位置的磁性材料的電子的多數(shù)自旋狀態(tài)決定。這個(gè)多數(shù)自旋狀態(tài)決定目標(biāo)位置的磁性狀態(tài)。電子束具有由其分量電子(射束電子)的多數(shù)自旋狀態(tài)決定的凈極化。通過用具有與目標(biāo)電子的多數(shù)自旋狀態(tài)相反的凈極化(多數(shù)自旋狀態(tài))的電子束照射該區(qū)域，可以使該區(qū)域的磁性狀態(tài)反轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)介質(zhì)包括夾在自旋鏡面材料之間的磁性材料，以便形成自旋相關(guān)電子陷阱。對(duì)于自旋相關(guān)電子陷阱的一個(gè)實(shí)施例，硬磁材料層夾在第一和第二層自旋鏡面材料之間。這里，“層”指的是一個(gè)或多個(gè)原子層，其實(shí)際數(shù)字和成分可以改變以調(diào)整自旋相關(guān)電子陷阱的性能。
自旋鏡面材料是可磁性極化的材料，其特征在于對(duì)于處于第一自旋狀態(tài)的電子在其費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)低密度電子狀態(tài)和對(duì)于處于第二相反自旋狀態(tài)的電子的相對(duì)高密度狀態(tài)。這種電子結(jié)構(gòu)提高了入射到自旋鏡面材料上的處于第一自旋狀態(tài)的電子將通過自旋鏡面材料反射而不是透射的概率。實(shí)際上，自旋鏡面材料提供在入射能范圍內(nèi)的電子的自旋相關(guān)透射/反射。在具有大于零的狀態(tài)密度的材料用于本發(fā)明時(shí)，它們沒有具有零狀態(tài)密度的材料有效，因?yàn)榭傻玫降臓顟B(tài)允許某些泄露。
處于第二自旋狀態(tài)的電子可以通過將它們以相對(duì)高的入射能量即高于費(fèi)米能級(jí)的能量注入到自旋相關(guān)電子陷阱中而在自旋鏡面材料之間被捕獲。入射電子和存儲(chǔ)介質(zhì)的電子之間的碰撞使入射電子的動(dòng)能減少到自旋鏡面材料的自旋相關(guān)透射性變得明顯的范圍。在兩層自旋鏡面材料之間提供磁性材料，在射束電子在兩個(gè)自旋鏡面層之間反射時(shí)允許每個(gè)被捕獲電子與很多目標(biāo)電子相互作用。最終耦合有利于磁性材料的自旋狀態(tài)的反轉(zhuǎn)。
對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，自旋鏡面材料可以是半金屬。典型的半金屬是鐵磁材料，其中鐵磁去耦相對(duì)于相反自旋狀態(tài)的能級(jí)移動(dòng)一個(gè)自旋狀態(tài)的能級(jí)，以便提供射束電子結(jié)構(gòu)。半金屬用做處于一個(gè)自旋狀態(tài)的電子的絕緣體和處于另一自旋狀態(tài)的電子的導(dǎo)體。
對(duì)于本發(fā)明的另一實(shí)施例，磁性材料是硬磁材料，并且自旋鏡面材料是軟磁材料。這里，硬和軟磁材料分別是具有大和小矯頑力的材料。通常，軟磁材料具有很少的處于費(fèi)米能級(jí)附近的少數(shù)自旋電子。在適當(dāng)?shù)矸e條件下在這些材料中感應(yīng)的應(yīng)變會(huì)大大擾亂這些軟磁材料的電子結(jié)構(gòu)，以便將它們轉(zhuǎn)換成半金屬化材料或接近半金屬化材料。
通過本發(fā)明提供的提高的耦合允許處于特殊自旋狀態(tài)的射束電子將能量轉(zhuǎn)移給大量目標(biāo)電子。泡利排他律保證了這個(gè)能量被優(yōu)先于具有與射束電子相同的自旋取向的電子(“相同自旋電子”)而轉(zhuǎn)移給具有與射束電子的多數(shù)自旋狀態(tài)相反的自旋取向的目標(biāo)電子(“相反自旋電子”)。
轉(zhuǎn)移給目標(biāo)電子的最終自旋相關(guān)能量增強(qiáng)了優(yōu)先自旋反轉(zhuǎn)的概率，如下面的詳細(xì)說明。
圖1A示意性地表示采用自旋極化電子的射束112讀取和記錄磁介質(zhì)110的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括源110、電子光學(xué)系統(tǒng)120、真空外殼130、存儲(chǔ)介質(zhì)140和用于電子光學(xué)系統(tǒng)120的控制模件150。源110產(chǎn)生自旋極化電子，采用該電子光學(xué)系統(tǒng)120使自旋極化電子指向存儲(chǔ)介質(zhì)140上的被選存儲(chǔ)位置160。適當(dāng)?shù)脑窗ɡ珉娮邮⑿椭w(micro-columns)。存儲(chǔ)介質(zhì)140上的每個(gè)位置160可表示數(shù)據(jù)位。在圖1A中，所示電子束112指向讀取或記錄位置160’的數(shù)據(jù)。
每個(gè)存儲(chǔ)位置160通常包括可在兩個(gè)取向中的一個(gè)取向磁化，表示數(shù)據(jù)位處于高或低邏輯狀態(tài)。磁化的兩個(gè)取向一般稱為“上自旋”和“下自旋”，但是實(shí)際取向取決于存儲(chǔ)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于高密度存儲(chǔ)器件，最佳的取向使平行和反平行于表面法向矢量(n)。
圖1B是常規(guī)存儲(chǔ)介質(zhì)140的實(shí)施例的方框圖，該存儲(chǔ)介質(zhì)被設(shè)計(jì)成提供平行或反平行于表面法向n的磁化。存儲(chǔ)介質(zhì)140包括淀積在導(dǎo)電非磁性材料148上的相對(duì)薄層磁性材料144。磁性材料144和非磁性材料148的不同晶體結(jié)構(gòu)在邊界146相遇。在邊界146處的不同晶體結(jié)構(gòu)之間的應(yīng)變促使平面磁性層144以外的易磁化軸。此外，在層間邊界146處的不連續(xù)性產(chǎn)生限制電荷在材料之間流動(dòng)的勢(shì)壘。非磁性層148耦合到讀出放大器，在位置160被自旋極化電子束112照射時(shí)該讀出放大器用于“讀取”位置160的邏輯狀態(tài)。該讀出放大器檢測(cè)通過磁性層而不是從金屬層反射的電流量。通過利用射束散射行為取決于射束的相對(duì)取向和目標(biāo)電子自旋極化，自旋極化電子束112讀取儲(chǔ)存在位置160之一處的邏輯狀態(tài)。
圖2是位于存儲(chǔ)介質(zhì)140中的電子能級(jí)(帶)的簡(jiǎn)化模型。圖2包括簡(jiǎn)化能帶模型，其表示適合于磁性層144的鐵磁材料200。還示出了與層間邊界146相關(guān)的隧道勢(shì)壘270和用于非磁性導(dǎo)電材料148的導(dǎo)帶280。
眾所周知，上自旋和下自旋電子的數(shù)量在鐵磁材料中是不同的。磁性材料的凈磁化由多數(shù)自旋狀態(tài)決定。交換作用使處于主要(多數(shù))自旋數(shù)量的電子穩(wěn)定化并趨于保持材料的凈磁化。改變這個(gè)凈磁化需要反轉(zhuǎn)足夠數(shù)量的電子自旋以倒轉(zhuǎn)主要自旋狀態(tài)。
圖2的能帶模型表示作為波數(shù)k(水平軸)的函數(shù)的對(duì)于鐵磁材料中的電子的允許能級(jí)200(垂直軸)。示出了分別用于上自旋和下自旋電子的分離能帶220、228和230、238。能帶220、228和230、238之間的垂直偏移表示兩個(gè)自旋取向狀態(tài)間的能差。鐵磁材料200具有處于上自旋狀態(tài)的凈磁化，因?yàn)榇嬖诒认伦孕娮佣嗟纳献孕娮印?br> 圖2中所示的費(fèi)米能級(jí)260表示被材料200的電子占據(jù)的最高能級(jí)。對(duì)于過渡材料，導(dǎo)帶是由成分金屬原子的部分填充d軌道產(chǎn)生的，費(fèi)米能級(jí)240位于導(dǎo)帶內(nèi)，如圖所示。過渡金屬的實(shí)際能帶結(jié)構(gòu)比圖2中所示的更復(fù)雜，但是對(duì)于這種說明目的來說簡(jiǎn)單模型足夠了。
上自旋帶隙224表示導(dǎo)帶220和允許能級(jí)的另一能帶228之間的能帶，上自旋電子該該能帶阻止。就是說，磁性材料200中的上自旋電子可具有落入帶隙224上面或下面的能量，但是它們不具有位于帶隙224內(nèi)的能量。同樣，下自旋帶隙234表示在導(dǎo)帶232和組織下自旋電子的另一能帶238之間的能帶。例如在Kittel，“Introduction toSolid State Physics”，John Wiley & Sons，New York(1996)中討論了表示磁性材料的能帶模型。
圖2中還示出了上自旋電子240和下自旋電子250。入射到磁性材料200上的電子240和250所具有的能量由沿著垂直能軸的它們的位置表示。下自旋電子250以對(duì)應(yīng)用于磁性材料200中的下自旋電子的帶隙234的能量入射到磁性材料200上。因而，下自旋電子250將以高的概率從磁性材料200散射。另一方面，這個(gè)相同的入射能量將上自旋電子240置于對(duì)應(yīng)允許能帶228的能級(jí)上，在那里上自旋電子240坑內(nèi)自由移動(dòng)通過磁性材料200。如果磁性材料200淀積在導(dǎo)電非磁性材料即層148上，上自旋電子240可能通過隧道效應(yīng)進(jìn)入層148。
通過將每個(gè)邏輯狀態(tài)與自旋狀態(tài)聯(lián)系起來，包括磁性材料200的位置160可能儲(chǔ)存邏輯1或邏輯零?？梢酝ㄟ^用自旋極化電子束照射位置160和測(cè)量層148中的電子，來讀取位置160的自旋取向。在圖1A的系統(tǒng)中，例如，可采用讀出放大器170測(cè)量電流。因此讀取目標(biāo)位置160的自旋狀態(tài)是個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過程。
為了給目標(biāo)位置記錄特殊邏輯狀態(tài)，電子光學(xué)系統(tǒng)利用自旋極化電子束112照射該位置，其中所述自旋極化電子束112具有設(shè)計(jì)成以反轉(zhuǎn)主要自旋的特性，如果需要的話，設(shè)計(jì)成適當(dāng)?shù)淖孕隣顟B(tài)。例如，如果上自旋表示第一邏輯狀態(tài)，并且第二邏輯狀態(tài)將被寫入到該位置，則利用排列成以反轉(zhuǎn)主要自旋的自旋極化電子束112照射該位置。確定該位置的自旋狀態(tài)是否反轉(zhuǎn)的一個(gè)因數(shù)是自旋極化射束電子和材料200的主要自旋狀態(tài)的目標(biāo)電子之間的耦合強(qiáng)度。特別是，射束電子應(yīng)該與磁性材料中的相對(duì)大部分的上自旋電子群相互作用。對(duì)自旋反轉(zhuǎn)起作用的其它因數(shù)包括材料的自旋松弛時(shí)間、用于給定目標(biāo)電子能量的脫離磁性材料的自旋相關(guān)隧道電流、和流入磁性材料的自旋無關(guān)電流。
圖3表示在分別具有平行自旋的電子對(duì)和具有反平行自旋的電子對(duì)之間的計(jì)算的散射振幅310和320。例如，散射振度310和320可表示碰撞射束和目標(biāo)電子之間的平行和反平行自旋對(duì)。泡利排他律允許具有反平行自旋取向的電子比具有平行自旋取向的電子更緊密地接近。因而，具有反平行自旋取向的電子對(duì)更強(qiáng)地相互作用，并且它們的計(jì)算的散射振幅相應(yīng)地比確定用于具有平行自旋取向的電子對(duì)的振幅大。特別是，具有平行自旋取向的電子對(duì)在1.5弧度的散射振幅遠(yuǎn)小于具有反平行自旋取向的電子對(duì)在1.5弧度的散射振幅。在1.5弧度左右的散射角與從入射電子對(duì)有效地轉(zhuǎn)移能量和很強(qiáng)地改變電子束的動(dòng)量矢量方向的碰撞相關(guān)。
入射電子束和用于自旋反轉(zhuǎn)的目標(biāo)電子之間所需要的強(qiáng)耦合可以參照對(duì)于自旋反轉(zhuǎn)過程的一個(gè)建議機(jī)理示出。處于第一自旋狀態(tài)即下自旋的高能自旋極化電子優(yōu)先與處于第二自旋狀態(tài)即上自旋的目標(biāo)電子耦合，如圖3所示。這個(gè)優(yōu)先耦合相對(duì)于下自旋目標(biāo)電子提高了上自旋目標(biāo)電子的平均能量。實(shí)際上，入射自旋極化電子束優(yōu)先加熱具有相反自旋狀態(tài)的目標(biāo)電子。如果該耦合足夠強(qiáng)，則自旋極化電子束中的每個(gè)下自旋電子可與數(shù)十個(gè)上自旋電子進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移碰撞，結(jié)果產(chǎn)生足夠的磁增益。通過電子束的動(dòng)能與目標(biāo)電子的平均熱能的比例提供由每個(gè)自旋極化電子束電子激活的大量相反自旋目標(biāo)電子的評(píng)估。
一般情況下，電子穿過勢(shì)壘270(圖2)的概率隨著電子能量而增加。在上述例子中，這意味著目標(biāo)電子進(jìn)入非磁性層148的隧道率隨著目標(biāo)電子的能量而增加。此外，當(dāng)用下自旋射束電子照射電子陷阱時(shí)，泡利排他律確保了到非磁性層148的隧道電流包括比例比下自旋目標(biāo)電子大的上自旋目標(biāo)電子。優(yōu)先激活上自旋目標(biāo)電子的凈效應(yīng)是通過素隧道的磁性材料中的上自旋數(shù)量的減少。
由于電子的損失保留了非補(bǔ)償，因此到非磁性層的增加的隧道效應(yīng)還產(chǎn)生在磁性層和非磁性層之間的電荷失衡。最終的電場(chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)電流，其中來自非磁性層的電子流回到磁性層中以偏移電荷失衡。由驅(qū)動(dòng)反應(yīng)電流的電場(chǎng)產(chǎn)生的力與自旋無關(guān)。即，在上自旋電子優(yōu)先于下自旋射束電子“反沖出”磁性層時(shí)，相等數(shù)量的上自旋和下自旋電子擴(kuò)散回到磁性層中。
自旋相關(guān)加熱和自旋無關(guān)反應(yīng)電流之后發(fā)射目標(biāo)電子的凈效應(yīng)是磁性層中的上自旋電子數(shù)量相對(duì)于下自旋電子數(shù)量減少。如果耦合足夠強(qiáng)并且e束強(qiáng)度足夠高，磁性材料的凈磁化將反轉(zhuǎn)到下自旋。在用處于上自旋狀態(tài)的極化電子束照射下自旋位置時(shí)，同樣的機(jī)理使下自旋存儲(chǔ)位置反轉(zhuǎn)到上自旋存儲(chǔ)位置。本發(fā)明提供充分增加這個(gè)耦合的系統(tǒng)和方法。
圖4A是示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)系統(tǒng)400的一個(gè)實(shí)施例。存儲(chǔ)系統(tǒng)400包括電子源410和存儲(chǔ)介質(zhì)480。電子源410給存儲(chǔ)介質(zhì)480上的特定位置提供自旋極化電子束412。存儲(chǔ)介質(zhì)480表示為自旋相關(guān)電子陷阱430(1)-430(n)陣列(通常為“電子陷阱430”)。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)采用兩維陣列電子陷阱430時(shí)，如圖1所示，為了表示的目的只示出了一維陣列。
每個(gè)自旋相關(guān)電子陷阱430包括置于第一和第二自旋鏡面440、450之間的磁性材料420。在下列討論中，“自旋鏡面”指的是可磁性極化的材料，對(duì)于一個(gè)能量范圍，優(yōu)先反射處于一個(gè)自旋狀態(tài)的電子，同時(shí)透射處于相反自旋狀態(tài)的電子。在沒有外部施加力時(shí)，鏡面的自旋狀態(tài)自對(duì)準(zhǔn)到它們之間的磁性材料的電流自旋狀態(tài)。這個(gè)自旋相關(guān)透射性最明顯時(shí)的能量通常在電子陷阱430的費(fèi)米能級(jí)附近，其中入射電子采樣電子陷阱的量子阱結(jié)構(gòu)。在充分處于費(fèi)米能級(jí)上面的能量時(shí)，例如幾個(gè)電子伏(eV)，能帶可以透射處于兩種自旋狀態(tài)的電子。
自旋鏡面440、450的可磁性極化特性由它們的自旋狀態(tài)與磁性材料420的自旋狀態(tài)的對(duì)準(zhǔn)來表示?？梢酝ㄟ^材料成分來控制自旋鏡面的自旋差分透射，或者通過使不呈現(xiàn)自旋差分透射的材料應(yīng)變來進(jìn)行。
對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)480的所公開的實(shí)施例，所示的電子陷阱430設(shè)置在導(dǎo)電非磁性層460上。自旋鏡面440和450用做自旋相關(guān)鏡面以便在電子陷阱430中捕獲具有給定自旋狀態(tài)的射束電子412。隨著被捕獲電子在層440和450之間的磁性材料420中重復(fù)散射，處于特殊自旋狀態(tài)的被捕獲射束電子具有足夠的機(jī)率很強(qiáng)地耦合處于相反自旋狀態(tài)的目標(biāo)電子。如下所述，非磁性層460為通過與射束電子的碰撞激活的電子提供通道以便從電子陷阱430運(yùn)動(dòng)出來。
圖4B是更詳細(xì)地表示電子陷阱430的一個(gè)實(shí)施例的方框圖。電子陷阱的所公開實(shí)施例包括在自旋鏡面440和磁性材料420之間的第二層非磁性材料。第二層非磁性材料470與非磁性材料460電接觸，以便為激活電子提供有效的通道以到達(dá)非磁性材料460。
圖4B中還示出了不同材料層的示意厚度。例如，自旋鏡面440、450可包括半金屬化材料的3-20單層。采用較厚的結(jié)構(gòu)通過射束-目標(biāo)碰撞使入射電子束慢下來。磁性材料可包括3-20單層硬磁性材料，在其它因數(shù)當(dāng)中，這取決于磁性極化所希望的方向。非磁性材料450和470可包括分別為約100單層和約5單層的非磁性材料。這些層的厚度可以調(diào)整以調(diào)整電子陷阱430的特性，如下面更詳細(xì)的說明。
磁性材料420和自旋鏡面440、450的原子層(或單層)的數(shù)量可以選擇以調(diào)整電子陷阱430的磁化特性。例如，當(dāng)磁性材料420是鐵時(shí)，可以在例如自旋鏡面450上外延地設(shè)置2-4原子層的厚度。磁性材料420和自旋鏡面450的晶格常數(shù)之間的失配在磁性材料420中產(chǎn)生應(yīng)變，這使其易磁化軸在由磁性材料420的層形成的平面以外旋轉(zhuǎn)。
還可以調(diào)整自旋鏡面440、450和非磁性材料470的厚度以增強(qiáng)電子束的捕獲能力。不存在高入射能量的自旋相關(guān)反射將允許處于在較低能量被反射的自旋狀態(tài)的射束電子產(chǎn)生電子陷阱430。后來這些電子通過與自旋鏡面440、450和磁性材料420)“目標(biāo)電子”)的碰撞而失去能量?？梢哉{(diào)整自旋鏡面440、450和/或磁性材料420的厚度以增加射束電子進(jìn)行足夠的碰撞的可能性，以便使它們的能量減少到它們可以被自旋鏡面440、450捕獲的水平。
對(duì)于本發(fā)明的另一實(shí)施例，可以在自旋鏡面440上設(shè)置附加的材料層，以便提高入射射束電子的散射可能性(和能量損失)。例如，可添加10-20原子層材料(約100埃)以增加入射電子的散射性。附加的碰撞還趨于給橫向于它們的入射方向的射束電子施加動(dòng)量分量，使他們?cè)诖判圆牧?20的較寬體積上分布。在主題為“量子磁性存儲(chǔ)器”的美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)09/211233中討論了這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)。
眾所周知，固體(金屬)中的電子散射具有相對(duì)低的改變散射電子的自旋狀態(tài)的概率。動(dòng)量改變碰撞通常是大于每單位時(shí)間的自旋反轉(zhuǎn)碰撞數(shù)量的數(shù)量級(jí)。此外，動(dòng)量改變碰撞給電子動(dòng)量提供橫向分量的概率相對(duì)高。例如，圖3示出了在射束電子與相反自旋目標(biāo)電子碰撞時(shí)射束電子具有在質(zhì)量坐標(biāo)系的中心散射45°或以上的約50％的機(jī)率。在實(shí)驗(yàn)參考系中，例如其中表示存儲(chǔ)介質(zhì)480的參考系，在橫向的散射振幅保持足夠，并且多散射事件進(jìn)一步增強(qiáng)了射束電子獲得橫向動(dòng)量分量的概率。
圖5示出了表示計(jì)算的作為電子動(dòng)能函數(shù)的金屬中的電子的平均自由程的曲線510。這里，“平均自由程”指的是電子在與其它電子碰撞之間運(yùn)行的平均距離。根據(jù)曲線510，電子的平均自由程減少，并且隨著其能量的增加而進(jìn)行更多的碰撞。在所公開的系統(tǒng)中，在10eVs入射在儲(chǔ)存材料400上的射束電子具有約。1納米(1埃)的平均自由程。因此100埃的材料層410(10-20單層)提供橫向碰撞的顯著機(jī)會(huì)。
隨著能量的增加而使碰撞數(shù)量的增加反射了大量目標(biāo)電子，隨著其能量的增加，射束電子可以與其相互作用。磁性材料中的目標(biāo)電子可以只被散射到現(xiàn)有的、即自旋允許的費(fèi)米能級(jí)上面的能量狀態(tài)，并且射束電子提供這個(gè)轉(zhuǎn)變的能量。與較低能量射束電子相比，較高能量的射束電子可以從在磁性材料的費(fèi)米能級(jí)以下的能級(jí)散射目標(biāo)電子。這樣，自旋極化電子束的入射能量是可變的，即可以調(diào)整以增強(qiáng)橫向散射。
圖6A是適合用做自旋鏡面材料的半金屬化材料600的簡(jiǎn)化狀態(tài)密度。曲線610表示對(duì)于半金屬600中的上自旋電子，作為波數(shù)(k)的函數(shù)，上自旋電子在現(xiàn)有能態(tài)上的分布。半金屬600的費(fèi)米能級(jí)位于由取消610表示的現(xiàn)有能態(tài)內(nèi)。因而，半金屬600用做用于上自旋電子的導(dǎo)體。
曲線620表示作為半金屬化材料600中的下自旋電子的k的函數(shù)，電子在現(xiàn)有能態(tài)上的分布。曲線620沒有處于材料600的費(fèi)米能級(jí)上的能級(jí)。示出了下一能帶的最低可得到能級(jí)(曲線630)約為費(fèi)米能級(jí)上的。7eV，與計(jì)算的這些材料的帶隙值一致。由于電子在室溫下具有約。025eVs的熱能，因此。7eV帶隙表示到達(dá)能級(jí)的明顯勢(shì)壘，其中在該能級(jí)下自旋電子可以自由移動(dòng)通過半金屬化材料600。因而，半金屬化材料600用做用于下自旋電子的絕緣體。
半金屬化材料的能帶結(jié)構(gòu)可歸因于鐵磁耦合。通常，半金屬化材料用做重要或多數(shù)自旋狀態(tài)電子的導(dǎo)體和用做少數(shù)自旋狀態(tài)電子的絕緣體。例如，半金屬化材料600可以代表電子陷阱430(j)的自旋鏡面440(j)、450(j)。如上所述，軟磁材料和其它材料通過應(yīng)變感應(yīng)擾亂可以獲得與圖6相同的半金屬化電子結(jié)構(gòu)。
圖6B表示在半金屬化材料NiMnSb中的上自旋和下自旋電子的計(jì)算的狀態(tài)密度。費(fèi)米能級(jí)的位置由尖頭表示，費(fèi)米能級(jí)周圍的少數(shù)自旋電子的帶隙很明顯。希望展示半金屬化特性的其它材料是PtMnSb。通常，具有窄能帶、在它們的范圍內(nèi)的能隙和強(qiáng)的鐵磁相互作用的材料可呈現(xiàn)半金屬化特性。另外的材料和成分可以被強(qiáng)制在應(yīng)變時(shí)呈現(xiàn)半金屬化特性。
下面的討論集中在根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)介質(zhì)的自旋相關(guān)電子捕獲特性。這些存儲(chǔ)介質(zhì)和它們的分量電子捕獲的各種其它特性還可以影響利用自旋極化電子束記錄的介質(zhì)的靈敏度。例如，反轉(zhuǎn)給定存儲(chǔ)位置的自旋狀態(tài)所需要的電子束強(qiáng)度部分取決于磁性材料的自旋松弛時(shí)間特性。自旋松弛時(shí)間表示在它從初始狀態(tài)被擾亂時(shí)，例如通過與自旋極化電子束的碰撞，存儲(chǔ)材料的磁性狀態(tài)所需要的時(shí)間。較快的自旋松弛時(shí)間難以反轉(zhuǎn)自旋狀態(tài)，因?yàn)槌跏甲孕隣顟B(tài)被快速地重建。較慢的自旋松弛時(shí)間允許被自旋極化電子束感應(yīng)的磁性材料的自旋數(shù)量改變，以持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間用以產(chǎn)生自旋數(shù)量倒置(自旋反轉(zhuǎn))。
自旋松弛時(shí)間取決于磁性材料的能帶結(jié)構(gòu)。對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例，可通過改變磁性層中的磁性元件(純的或合金形式的)來增加自旋松弛時(shí)間。自旋松弛時(shí)間的增加減少了實(shí)現(xiàn)自旋方向反向所需要的自旋極化電流密度。
根據(jù)本發(fā)明，自旋反轉(zhuǎn)取決于量子磁性自旋系統(tǒng)的各種參數(shù)可表示如下(I)e·Ns/Ts＜Ibeam·gspin這里，Ns是每個(gè)存儲(chǔ)位置或位的自旋數(shù)量，Ts是自旋松弛時(shí)間，Ibeam<p>表17

這些表中的結(jié)果表明本發(fā)明的化合物對(duì)NO和IL-6的產(chǎn)生具有明顯的抑制作用。試驗(yàn)實(shí)施例2(抗炎癥效果1對(duì)由角叉菜膠引起的水腫的抵抗作用)(1)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物將雄性ICR鼠(4周齡，日本Charles River有限公司)于一個(gè)飼養(yǎng)籠中預(yù)飼養(yǎng)約一星期，選出健康的鼠用于試驗(yàn)。
(2)試驗(yàn)中使用的藥物將每種試驗(yàn)化合物懸浮在一種0.5％的羧甲基纖維素鈉(0.5％CMC-Na，Wako純化學(xué)工業(yè)有限公司的產(chǎn)品)中或者溶解在純水中。所述懸浮液或溶液以0.1mL/10g(每只鼠的體重)的劑量進(jìn)行口服用藥。
使用被溶解在生理鹽水中的λ-角叉菜膠(Picnin A，Zushi Kagaku的產(chǎn)品)。
(3)試驗(yàn)方法借助器官充滿度測(cè)量器(Ugo Basile的產(chǎn)品)測(cè)定每只小鼠的右后腿的體積。然后，將2％的角叉菜膠溶液(0.05mL)注射進(jìn)所述腿的腳墊中。注射角叉菜膠(炎癥誘導(dǎo)劑)五天后，測(cè)量所述腿的體積。將所述小鼠分組，每組包括8只鼠。從分組那天起(即，施用了角叉菜膠5天后)，連續(xù)四天每天口服給予一次每種試驗(yàn)化合物。在服用每種試驗(yàn)化合物前以及停止服用后那天(即，服用角叉菜膠后的第9先捕獲。當(dāng)存儲(chǔ)位置的自旋狀態(tài)被下自旋電子束反轉(zhuǎn)成下自旋狀態(tài)時(shí)，自旋鏡面440、450還反轉(zhuǎn)它們的自旋狀態(tài)，這是因?yàn)樗鼈儽淮判圆牧?20極化。來自下自旋電子束的電子優(yōu)先透射通過電子陷阱430，因?yàn)樗鼈兘?jīng)受了與主要下自旋目標(biāo)電子的不太大角度的散射，并且重新極化自旋鏡面440、450中的下自旋能帶的可用性給層460提供導(dǎo)電溝道。通過作為時(shí)間的函數(shù)而監(jiān)視電子束的透射，可通過檢測(cè)透射電子束流的最終增加來確認(rèn)自旋反轉(zhuǎn)。
前面已經(jīng)公開了利用自旋極化電子束從存儲(chǔ)介質(zhì)讀取數(shù)據(jù)和給存儲(chǔ)介質(zhì)寫入數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。該存儲(chǔ)介質(zhì)包括由夾在自旋鏡面材料之間的磁性材料形成的電子陷阱。自旋鏡面優(yōu)先捕獲具有與存儲(chǔ)位置相反的自旋狀態(tài)的電子，并允許射束電子與目標(biāo)電子進(jìn)行多次碰撞。射束-目標(biāo)電子耦合的最終增強(qiáng)允許利用相對(duì)低強(qiáng)度的自旋極化電子束記錄存儲(chǔ)位置。
前面已經(jīng)利用特殊實(shí)施例示出了本發(fā)明。本領(lǐng)域的受益于本公開的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到這些實(shí)施例可以在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括自旋極化電子束源；和與自旋極化電子束相互作用的介質(zhì)，該介質(zhì)包括夾在第一和第二層自旋鏡面材料之間的磁性材料層，以便形成自旋相關(guān)量子阱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第一和第二層自旋鏡面材料是可磁性極化的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中第一和第二層可磁性極化的材料是第一和第二層半金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中磁性材料是硬磁材料，第一和第二層自旋鏡面材料是第一和第二層NiMnSb。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中磁性材料是硬磁材料，第一和第二層自旋鏡面材料是第一和第二層軟磁材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，還包括分別在硬磁材料與第一和第二層軟磁材料之間的第一和第二層非磁性材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中自旋鏡面材料是具有用于在材料的費(fèi)米能級(jí)的少數(shù)自旋狀態(tài)的低密度狀態(tài)的材料。
8.一種將磁疇從第一自旋狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第二自旋狀態(tài)的方法，該方法包括將在第二自旋狀態(tài)極化的電子束引導(dǎo)到磁疇；和在位于第一和第二層自旋鏡面材料之間的磁疇中捕獲一部分電子束。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括在磁疇被轉(zhuǎn)換到第二自旋狀態(tài)時(shí)停止引導(dǎo)射束。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中停止引導(dǎo)射束包括監(jiān)視引導(dǎo)電子束的透射；和當(dāng)被監(jiān)視透射表示磁疇從第一向第二自旋狀態(tài)變化時(shí)從磁疇重新引導(dǎo)射束。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中捕獲一部分電子束包括在第一和第二層半金屬化材料之間的磁疇中捕獲一部分電子束。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中捕獲一部分電子束包括在第一和第二層軟磁材料之間的磁疇中捕獲一部分電子束。
13.一種包括磁位陣列的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，每個(gè)磁位包括在第一磁性狀態(tài)并夾在第一和第二層自旋鏡面材料之間的硬磁材料，第一和第二層自旋鏡面材料在第一磁性狀態(tài)中被極化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中自旋鏡面材料是半金屬化材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)磁單元還包括在硬磁材料和一層半金屬化材料之間的一層導(dǎo)電材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中自旋鏡面材料是軟磁材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)磁單元還包括在硬磁材料和第一層軟磁材料之間的的一層導(dǎo)電非磁性材料。
18.一種用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括自旋極化電子源；在距離所述源的選擇距離設(shè)置并具有多個(gè)存儲(chǔ)位置的存儲(chǔ)介質(zhì)，每個(gè)存儲(chǔ)位置包括夾在第一和第二自旋鏡面材料之間的磁性材料，以便優(yōu)先在磁性材料附近捕獲給定自旋狀態(tài)的電子；和將自旋極化電子引導(dǎo)到多個(gè)存儲(chǔ)位置之一的電子光學(xué)系統(tǒng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中自旋極化電子源是電子微通道。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中第一和第二自旋鏡面材料是半金屬化材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中第一和第二自旋鏡面材料是軟磁材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中第一和第二自旋鏡面材料是由應(yīng)變材料形成的。
全文摘要
提供一種采用自旋極化電子束在磁性介質(zhì)上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括自旋極化電子束源和距離該源為選擇距離設(shè)置的存儲(chǔ)介質(zhì)。存儲(chǔ)介質(zhì)具有多個(gè)存儲(chǔ)位置，每個(gè)存儲(chǔ)位置包括夾在第一和第二層半金屬化材料之間的一層磁性材料。最終層疊結(jié)構(gòu)形成自旋相關(guān)電子陷阱，增加了處于第一自旋狀態(tài)的射束電子和處于第二自旋狀態(tài)的電子之間的耦合。電子光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)自旋極化電子束源到多個(gè)存儲(chǔ)位置。
文檔編號(hào)G11B11/115GK1432178SQ01810324
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月30日
發(fā)明者E·C·漢納, M·A·布朗 申請(qǐng)人:英特爾公司