Contents
xvii
10 Spintronics Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.2 Historical Advancement and Development of Spintronic
Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
10.3 Read Head in Magnetic Data Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.3.1 Application of GMR Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.3.2 Role of GMR in Magnetic Data Storage . . . . . . . . . . . . . 229
10.3.3 Internal Structure of a Magnetic Hard Disk . . . . . . . . . . 229
10.3.4 Operation of Magnetoresistance Read Heads . . . . . . . . 230
10.3.5 Evolution of Magnetoresistance Read Head
Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.3.6 Spin Valve Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10.3.7 Some Important Features of Spin-Valve GMR
Read Head Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
10.4 Magnetic Random Access Memories (MRAM) . . . . . . . . . . . . . . 235
10.4.1 Application Based on Spin-Tunnel Junctions . . . . . . . . 235
10.4.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.4.3 Why MRAM Should Be Used? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.4.4 About MTJ-Based Magnetic Random Access
Memories (MRAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.4.5 Basic Cell Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.4.6 Applications of M-RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5 Spin Transfer Torque (STT)—MRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5.2 What Is STT-MRAM? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
10.5.3 What Is Perpendicular STT-MRAM? . . . . . . . . . . . . . . . 242
10.5.4 Application of STT-MRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.5.5 The Latest STT-MRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.6 Spintronics Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.6.1 Anisotropic Magnetoresistance Sensor . . . . . . . . . . . . . . 245
10.6.2 Some GMR-Based Sensors Applications . . . . . . . . . . . . 246
10.6.3 Some Magnetic Tunnel Junction-Based TMR
Sensor Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.7 Spin FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.7.1 Working of Spin FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.7.2 Advantages of Spin FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
10.8 Racetrack Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.1 What Is Racetrack Memory? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.2 Advantages and Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.8.3 How Does it Work? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.9 Quantum Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.9.1 Bloch Sphere Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.9.2 Quantum Properties and Computing . . . . . . . . . . . . . . . . 263
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10 Spintronics Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.2 Historical Advancement and Development of Spintronic
Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
10.3 Read Head in Magnetic Data Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.3.1 Application of GMR Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.3.2 Role of GMR in Magnetic Data Storage . . . . . . . . . . . . . 229
10.3.3 Internal Structure of a Magnetic Hard Disk . . . . . . . . . . 229
10.3.4 Operation of Magnetoresistance Read Heads . . . . . . . . 230
10.3.5 Evolution of Magnetoresistance Read Head
Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.3.6 Spin Valve Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10.3.7 Some Important Features of Spin-Valve GMR
Read Head Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
10.4 Magnetic Random Access Memories (MRAM) . . . . . . . . . . . . . . 235
10.4.1 Application Based on Spin-Tunnel Junctions . . . . . . . . 235
10.4.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.4.3 Why MRAM Should Be Used? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.4.4 About MTJ-Based Magnetic Random Access
Memories (MRAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.4.5 Basic Cell Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.4.6 Applications of M-RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5 Spin Transfer Torque (STT)—MRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5.2 What Is STT-MRAM? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
10.5.3 What Is Perpendicular STT-MRAM? . . . . . . . . . . . . . . . 242
10.5.4 Application of STT-MRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.5.5 The Latest STT-MRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.6 Spintronics Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.6.1 Anisotropic Magnetoresistance Sensor . . . . . . . . . . . . . . 245
10.6.2 Some GMR-Based Sensors Applications . . . . . . . . . . . . 246
10.6.3 Some Magnetic Tunnel Junction-Based TMR
Sensor Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.7 Spin FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.7.1 Working of Spin FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.7.2 Advantages of Spin FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
10.8 Racetrack Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.1 What Is Racetrack Memory? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.8.2 Advantages and Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.8.3 How Does it Work? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.9 Quantum Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.9.1 Bloch Sphere Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.9.2 Quantum Properties and Computing . . . . . . . . . . . . . . . . 263