Исследователям IBM Research впервые удалось синхронизировать спины электронов и получить изображения формирования устойчивой спиновой спирали;
Спинтроника может способствовать появлению нового класса магнитных полупроводниковых транзисторов, что приведет к созданию более энергоэффективных электронных устройств
Ученые корпорации IBM (NYSE: IBM) и ведущего европейского образовательного и научно-исследовательского центра ETH Zurich, впервые в истории получили изображения формирования стабильной спиновой спирали в полупроводнике. Исследовательская работа направлена на использование спинов электронов для хранения, передачи и обработки информации.
До сих пор было неясно, обладают ли спины электронов способностью сохранять закодированную информацию достаточно долго до изменения своего направления. В статье, опубликованной в авторитетном рецензируемом журнале Nature Physics, ученые из IBM Research и лаборатории физики твердого тела (Solid State Physics Laboratory) ETH Zurich продемонстрировали, что синхронизация электронов увеличивает продолжительность существования спина электрона в 30 раз до 1,1 наносекунды - столько же времени составляет цикл микропроцессора с тактовой частотой 1 ГГц.
Современная вычислительная техника кодирует и обрабатывает данные, используя электрический заряд электронов. Этот метод, однако, имеет ограничение, поскольку размеры полупроводников продолжают уменьшаться и достигнут уровня, когда поток электронов будет неконтролируем. Спинтроника дает возможность преодолеть это ограничение путем использования спинов электронов, а не их заряда.
Это новое понимание возможностей спинтроники не только дает ученым беспрецедентный контроль над изменениями магнитного поля внутри различных устройств, но также открывает новые перспективы в развитии более энергосберегающей электроники.
<Вальс> спинов
Внимание ученых привлек ранее не описанный физиками факт - при вращении электронов в полупроводниках их спины перемещаются на десятки микрометров, при этом синхронно вращаясь, подобно вальсирующим парам.
<Если в начале круга в вальсе лица всех женщин обращены в одну сторону, то уже через некоторое время вращающиеся пары окажутся смотрящими в разных направлениях, - поясняет доктор Жан Салис (Gian Salis) из исследовательской группы физики наноразмерных систем (Physics of Nanoscale Systems) в IBM Research - Zurich. - Теперь мы получили возможность зафиксировать скорость вращения танцоров и привязать ее к направлению их перемещения. Получается идеальная хореография - лица всех танцующих женщин в определенной области площадки направлены в одну сторону. Возможность управления спинами электронов и наблюдения за ними является важным шагом на пути создания электрически программируемых "спиновых" транзисторов>.
Технические подробности
Ученые IBM использовали ультракороткие лазерные импульсы для наблюдения за перемещениями тысяч спинов электронов, которые были запущены во вращение одновременно в пределах сверхмалой области. Обычно вращение теряло упорядоченность и становилось хаотичным, а на этот раз ученые впервые могли наблюдать, как спины аккуратно организовывались в <стройные ряды>, по форме напоминающие вращающиеся ленты - так называемые стабильные спиновые спирали.
Концепция фиксации спина была сформулирована в виде теоретической гипотезы еще в 2003 году, и, в дальнейшем, в ходе ряда экспериментов были даже найдены признаки этого эффекта, однако до настоящего времени его никогда не наблюдали напрямую.
Исследователи IBM, применив методику сканирующего микроскопа с временным разрешением, получили изображения синхронного <вальса> спинов электронов. Синхронизация вращения спинов электронов позволила наблюдать их перемещение на расстояния более 10 микрон (одной сотой миллиметра), что увеличивает возможность использования спина для обработки логических операций - быстрой и экономной с точки зрения потребления энергии.
Причиной синхронного движения спинов является так называемое спин-орбитальное взаимодействие, физический механизм, который связывает спин с движением электрона. Экспериментальный полупроводниковый образец на основе арсенида галлия (GaAs) был получен учеными из ETH Zurich, которые известны как ведущие мировые эксперты в выращивании сверхчистых и высокоточных полупроводниковых структур. Арсенид галлия, полупроводник группы III/V, широко используется в производстве таких устройств, как интегральные микросхемы, инфракрасные светодиоды и высокоэффективные солнечные элементы.
Выход спиновой электроники из лабораторий на рынок по-прежнему остается чрезвычайно сложной задачей. Так, исследования в спинтронике осуществляются при очень низких температурах, при которых спины электронов минимально взаимодействуют с окружающей средой. В частности, описываемая здесь исследовательская работа проводилась учеными IBM при температуре 40 градусов Кельвина (-233 по Цельсию или -387 по Фаренгейту).
Данная работа осуществлялась при финансовой поддержке Швейцарского национального научного фонда (Swiss National Science Foundation, SNSF) через Национальные центры компетенции в области научных исследований (National Centres of Competence in Research, NCCR) - центр NCCR Nanoscale Sciences и центр NCCR Quantum Science and Technology.
Научная статья "Direct mapping of the formation of a persistent spin helix" (<Непосредственное отображение формирования устойчивых спиновых спиралей>) опубликована в журнале Nature Physics (DOI 10.1038/NPHYS2383) 12 августа 2012 года. Авторы: Матиас П. Вальзер (Matthias P. Walser), Кристиан Райхль (Christian Reichl), Вернер Вегшайдер (Werner Wegscheider) и Жан Салис (Gian Salis).
