Спинмехатроника /ˌspɪnəmɛkəˈtrɒnɪks/ — неологизм, обозначающий новую область исследований, связанную с эксплуатацией спин-зависимых явлений и устоявшихся спинтронных методологий и технологий в сочетании с электромеханическими, магнитомеханическими, акустомеханическими и оптико-механическими системами. В частности, спинмехатроника (или спиновая мехатроника) касается интеграции микро- и наномехатронных систем со спиновой физикой и спинтроникой.
История и происхождение
Хотя спинмехатроника была признана как самостоятельная область лишь недавно (2008 г.), разработка гибридных спин-механических систем восходит к началу девяностых годов, а устройства, объединяющие спинтронику и микромеханику, появились на рубеже двадцать первого века.
Одной из старейших спинмехатронных систем является магнитно-резонансный силовой микроскоп или MRFM. Впервые предложенный Дж. А. Сайдлсом в основополагающей статье 1991 года – и с тех пор широко развитый как теоретически, так и экспериментально рядом международных исследовательских групп – MRFM работает путем соединения магнитно нагруженного микромеханического кантилевера с возбужденной ядерной, протонной или электронной спиновой системой. . Концепция MRFM эффективно сочетает в себе сканирующую атомно-силовую микроскопию (АСМ) и магнитно-резонансную спектроскопию, обеспечивая спектроскопический инструмент беспрецедентной чувствительности. Возможно нанометровое разрешение, и этот метод потенциально составляет основу для сверхвысокой чувствительности, сверхвысокого разрешения магнитной, биохимической, биомедицинской и клинической диагностики.
Синергия микромеханики и устоявшихся спинтронных технологий для сенсорных приложений является одним из наиболее значимых спинмехатронных разработок последнего десятилетия. В начале этого века появились датчики деформации, включающие магниторезистивные технологии, и широкий спектр устройств, использующих аналогичные принципы, вероятно, реализуют исследовательский и коммерческий потенциал к 2015 году.
Современные инновации в спинмехатронике стимулируют независимое развитие передовой науки в спиновой физике, спинтронике, микро- и наномехатронике, а также стимулируют разработку совершенно новых методов приборостроения, управления и производства для облегчения и использования их интеграции.
Ключевые конститутивные технологии
Микро- и наномехатроника
МЭМС: микроэлектромеханические системы являются ключевым компонентом микромехатроники. Микроэлектромеханические системы, как следует из названия, представляют собой устройства со значительными размерами в микрометровом режиме или меньше. Идеально подходящие для интеграции с электронными и микроволновыми схемами, они обеспечивают ключ к электромеханическим функциям, недостижимым с помощью классической прецизионной мехатроники. Коммерциализация продуктов микроэлектромеханических систем массового производства быстро набирает темпы и включает в себя технологию струйной печати принтеров, 3D-акселерометры, встроенные датчики давления и дисплеи цифровой обработки света (DLP). На переднем крае технологий изготовления и интеграции микроэлектромеханических систем находятся наноэлектромеханические системы (НЭМС). Типичные примеры имеют длину микрометров, толщину десятков нанометров и имеют частоты механического резонанса, приближающиеся к 100 МГц. Их небольшие физические размеры и масса (порядка пикограммов) делают их очень чувствительными к изменениям жесткости; это, их взаимодействие с механическими системами и системами обработки данных, а также возможность присоединения химических/биологических молекул, делает их идеальными для сверхвысокопроизводительных механических, химических и биологических приложений.
Физика спина
Спиновая физика — это широкая и активная область исследований физики конденсированного состояния. «Спин» в этом контексте относится к квантово-механическому свойству определенных элементарных частиц и ядер и не должен путаться с классической (и более известной) концепцией вращения. Спиновая физика охватывает исследования ядерного, электронного и протонного магнитного резонанса, магнетизма и некоторых областей оптики. Спинтроника — это раздел спиновой физики. Возможно, два самых известных приложения спиновой физики — это магнитно-резонансная томография (или МРТ) и спинтронная гигантская магниторезистивная (GMR) считывающая головка жесткого диска.
Спинтроника
Спинтронное магнитосопротивление — это крупная научная и коммерческая история успеха. Сегодня большинство семей владеют спинтронным устройством: гигантской магниторезистивной (GMR) считывающей головкой жесткого диска в своем компьютере. Наука, которая породила эту феноменальную бизнес-возможность — и принесла Нобелевскую премию по физике 2007 года — была признанием того, что электрические носители характеризуются как зарядом, так и спином. Сегодня туннельное магнитосопротивление (TMR), которое использует спин электрона в качестве метки, чтобы разрешить или запретить туннелирование электронов, доминирует на рынке жестких дисков и быстро утверждается в таких разнообразных областях, как магнитные логические устройства и биосенсоры. Текущее развитие раздвигает границы устройств TMR в сторону наномасштаба.