Впервые продемонстрирована передача спинового тока при комнатной температуре
Спинтроника — раздел квантовой механики о переносе спинового тока в твердотельных веществах. Она возникла всего два десятилетия назад, между тем будущее этой зарождающейся технологии выглядит многообещающим.
Есть надежда, что использование спин-поляризованных электронов поможет уменьшить размер и эффективность устройств, а направление спина можно будет использовать для хранения и передачи информации в квантовых компьютерах будущего. Однако для практической реализации этих идей учёным предстоит решить главную проблему: из-за эффекта спин-орбитального взаимодействия спин электронов быстро меняется при прохождении через большинство материалов. Дело в том, что даже в твёрдом веществе положительно заряженные атомы слабо движутся и создают магнитные поля, которые меняют направление спина пролетающего меж них электрона.
К счастью, некоторые полупроводники, такие как кремний и германий, демонстрируют крайне слабое спин-орбитальное взаимодействие. Поэтому их свойства спинового токопереноса вызывают у физиков повышенное внимание.
Проблема в том, что ток, чтобы он пошёл внутри проводника, ещё нужно "ввести внутрь". А сделать это в данном случае не так просто. Для этого можно использовать источник света с круговой поляризацией, которая совпадает со спин-поляризацией электронов. Когда такой свет направлен на проводник, он как бы подталкивает электроны на границе.
Правда, наличие не самой простой с технической точки зрения "лампы" плохо сочетается с небольшими размерами потенциальных устройств. Поэтому учёные предпочитают использовать в качестве источника тока ферромагнетики, испускающие электроны прямо внутрь проводника. Но и здесь есть свои трудности. На практике различные взаимодействия на границе двух материалов разрушают большую часть спинов и лишь немногие электроны с "сохранёнными данными" проходят дальше.
Предыдущие работы уже продемонстрировали возможность передачи спинового тока в германиевом полупроводнике при сверхнизких температурах, когда колебательное движение атомов, а следовательно, и спин-орбитальное взаимодействие с электронами минимально. Впрочем, такие условия вряд ли понравятся пользователям устройств, основанных на новой технологии. В идеале гаджет должен функционировать при комнатной температуре.
Несколько групп учёных уже пытались показать, что спин-поляризованные электроны можно вводить и передавать внутри германия даже при комнатной температуре. Однако их результаты не были признаны достоверными из-за трудностей при проведении экспериментов. Теперь физики Сергей Душенко из Университета Осаки (Osaka University) и Масаси Сираиси (Masashi Shiraishi) из Университета Киото использовали микроволновый спин-насос, чтобы передать спиновый ток внутрь германиевого проводника при 18 градусах по Цельсию. Для эксперимента учёные использовали плоскую пластину германия на кремниевой подложке.
На одном её конце исследователи поместили полоску ферромагнетика из железно-никелевого сплава, а на другом кусок немагнитного металла. С помощью внешнего магнитного поля учёные выравнивали спин в сплаве в одном направлении, а затем, воздействуя на ферромагнетик микроволновым излучением, заставляли спиновый ток протекать через германий в направлении немагнитной пластинки. Там его измеряли с помощью прибора, регистрирующего поляризацию спина.
Расстояние между двумя концами полупроводника, которое успешно преодолели спин-поляризованные электроны, составило всего 660 нанометров. В то же время это гораздо больше расстояния между элементами интегральных микросхем, что допускает использование нового подхода для передачи информации в электронных (точнее, спинтронных) устройствах будущего.
Добавим, что, когда физики охладили материал до -140 градусов по Цельсию, расстояние, которое могли преодолеть электроны, увеличивалось вдвое.
Подробнее с результатами работы можно познакомиться в статье, опубликованной в издании Physical Review Letters.
