Меню

Спиновый ток что это

Библиотека: Олимпиада

Спиновая батарейка

17 декабря 2014

1. Спиновый ток

Наличие у электрона электрического заряда и взаимодействие его с электромагнитным полем является физической основой электроники. Электроны обладают не только зарядом, но и собственным магнитным моментом, называемым спином. Попытки использования спина в новых устройствах обработки и передачи информации с расширенной функциональностью привело к появлению нового направления в науке и технике – спинтронике. Заметим, что в настоящее время в основном спин электрона используется лишь для хранения данных в магнитной памяти. Спин электрон может иметь два устойчивых квантовых состояния – «спин вверх» и «спин вниз». Обычный электрический ток JC является упорядоченным потоком электронов с одинаковыми концентрациями частиц со спинами вверх и вниз (рис. 1а). То есть электрический ток есть процесс переноса заряда без переноса спина. Упрощенно его можно представить, как два потока частиц со спинами вверх J и вниз J одинаковыми по величине J = J и направленными в одну сторону (рис. 1а). Если ток пропустить через ферромагнетик, то он станет спин-поляризованным (рис. 1б). Это означает, что концентрация частиц в потоке со спином вверх станет больше, чем концентрация частиц со спинами вниз (или наоборот в зависимости от направления намагниченности ферромагнетика) (рис. 1б). Спин-поляризованный ток можно представить, как два потока частиц со спинами вверх J и вниз J направленными в одну сторону, но неодинаковыми по величине J > J (рис. 1б). Если после ферромагнетика спин-поляризованный ток пропустить через обычный немагнитный металл, то в нем электроны какое-то время будут сохранять направление спина, заданное ферромагнетиком, и баланс между количеством частиц со спинами вверх и вниз сохранится. Если теперь спин-поляризованный ток пропустить через второй ферромагнетик, то направлением намагниченности его можно легко управлять без внешних магнитных полей, меняя направление спиновой поляризации при помощи первого ферромагнетика. Этот механизм может быть основой работы различных приборов спинтроники. Основная трудность здесь в том, что для переключения намагниченности одного из ферромагнитных электродов необходимы высокие плотности спин-поляризованного тока. Понятно, что перенос спина спин-поляризованным током сопровождается переносом заряда (рис. 1б), и как следствие выделением джоулева тепла, которое прямо зависит от плотности тока. В настоящее время величина плотности спин-поляризованного тока, необходимая для переключения намагниченности электродов, не позволяет создать коммерческие спинтронные приборы по причине их сильного нагрева. Блестящим исключением является попытки использования спин-поляризованного тока в магниторезистивной памяти. Решением проблемы может являться разделения переноса спина и переноса заряда (рис. 1в). Другими словами необходимо создать источник чисто спинового тока JS – «спиновую батарейку». Спиновый ток JS можно представить, как два потока частиц со спинами вверх J и вниз J направленными навстречу друг другу и одинаковыми по величине J = J (рис. 1в). В этом случае переноса заряда не происходит. Отметим, что спин-поляризованный ток является «суммой» обычного электрического JC и чисто спинового тока JS (рис. 1б).

Рис. 1. Виды токов: а) обычный электрический ток JC (токи частиц со спинами вверх J и вниз J одинаковы по величине J = J и направлены в одну сторону), б) спин-поляризованный ток (токи частиц со спинами вверх J и вниз J направлены в одну сторону, но неодинаковы по величине J > J), в) спиновый ток (токи частиц со спинами вверх J и вниз J направлены навстречу друг другу и одинаковы по величине J = J)

Отсутствие переноса заряда спиновым током значительно расширит возможности спинтроники, в частности позволит использовать для создания спинтронных приборов диэлектрики. В идеале спиновый ток, не сопровождаемый переносом заряда, может быть полностью бездиссипативным из-за того, что он в отличие от обычного тока инвариантен относительно обращения времени. При обращении времени t → — t направление движения электронов изменяется на противоположное υ = → — υ, в то время как заряд сохраняет свой знак q → q (рис. 2а). Это означает, что при инверсии времени t → — t, происходит инверсия электрического тока JC → — JC (рис. 2а). В случае спинового тока обращение времени t → — t приводит к изменению знака скорости υ = → — υ и направления спина S = → — S оставляя спиновый ток неизменным JS → JS.

Рис. 2. Влияние инверсии времени t → — t на обычный электрический ток JC (а) и спиновый ток JS (б).

Бездиссипативность спинового тока позволит осуществлять обработку и передачу информации без выделения джоулева тепла, а значит без затрат энергии. Более того использование спинового тока в микропроцессорах позволит повысить их вычислительную производительность и преодолеть основные проблемы их охлаждения. В настоящее время есть лишь предварительные попытки экспериментального подтверждения бездиссипативности спинового тока, которые ограничены технической трудностью отделения его от обычного электрического тока (тока носителей заряда). Было показано, что спиновый ток может проходить через магнитные изоляторы, которые могут служить «ситом», для отделения его от электрического тока.

2. Способы генерации спинового тока и конструкция магниторезонасной «спиновой батарейки»

Для создания «спиновой батарейки» необходимо решить две фундаментальных задачи: 1) поиск физических механизмов и взаимодействий, приводящих к генерации спинового тока, 2) получение новых ферромагнетиков, пригодных для создания экспериментальных условий, в которых возникает спиновый ток.

Для возбуждения спиновых токов предложены несколько механизмов.

1. Генерация спинового тока происходит в системах со спин-зависимым рассеянием носителей заряда. Спин-орбитальное взаимодействие при элементарном акте рассеяния приводит к тому, что электроны со спинами направленными вверх и вниз отклоняются в противоположные стороны (рис. 3).

Рис. 3. Рассеяние носителей заряда спинами вверх и вниз вследствие спин-орбитального взаимодействия.

В этом случае протекание обычного электрического тока устанавливает спиновый поток перпендикулярный электрическому току. Этот эффект называется спиновым эффектом Холла (рис. 4а). Заметим, что может наблюдаться и обратный спиновый эффект Холла, когда спиновый ток генерирует обычный электрический ток (рис. 4б). Недостатком этого метода является необходимое требование наличия электрического поля.

Рис. 4. Спиновый эффект Холла (а) и обратный спиновый эффект Холла (б).

2. Спиновые токи могут появляться и за счет другого эффекта, не требующего наличия электрического поля. В полупроводниках из-за асимметрии оптического возбуждения, а также вследствие зависимости вероятности неупругой релаксации электрона от проекции его спина может возникать спиновый ток. Понятно, что этот механизм может быть реализован исключительно в полупроводниках, что можно рассматривать как один из недостатков данного метода.

3. Сейчас разрабатывается новый подход к созданию «спиновых батареек». Это устройство предоставляет собой двухслойную гетероструктуру, состоящую из обычного немагнитного металла (М) и связанного с ним слоя ферромагнетика (Ф) (рис. 5). Возбуждение чистого спинового тока в немагнитном металле (М) происходит за счет прецессии намагниченности в ферромагнитном слое (Ф), в котором возбуждается ферромагнитный резонанс (рис. 5). Ферромагнитный резонанс есть прецессия намагниченности, вызываемая электромагнитным сверхвысокочастотным (СВЧ) полем H1, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю H. Обычно возбуждение ферромагнитного резонанса происходит в резонаторе спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Рис. 5. Схема «спиновой батарейки»: за счет возбуждения ферромагнитного резонанса в ферромагнитном слое Ф происходит генерация спинового тока JS в немагнитном слое М. При этом может возникать также обычной электрический ток JC вследствие обратного спинового эффекта Холла.

В ферромагнетике уровни энергии электронов расщеплены на две подзоны, сдвинутые друг относительно друга вследствие обменного взаимодействия Еоб (рис. 6а). В равновесии обе подзоны заполнены полностью вплоть до уровня Ферми ЕФ. Изменение ориентации вектора намагниченности М в процессе прецессии приводит к тому, что одна подзона смещается вверх, а вторя вниз (рис. 6а). В результате электроны в подзоне, находящейся выше по энергии, оказываются над уровнем Ферми ЕФ и «вынуждены» релаксировать с переворотом спина в подзону, находящуюся ниже по энергии (рис. 6б). Если к ферромагнитныму слою (Ф) близко расположен слой обычного металла (М), то он будет включен в этот релаксационный канал. Это означает, что в немагнитном металле будет наводиться спиновый ток до тех пор, пока эта двухслойная система не придет в равновесие (рис. 6а). Если же направление вектора намагниченности опять изменить, то в немагнитном металле (М) вновь возникнет импульс спинового тока. В условиях ферромагнитного резонанса, когда вектор намагниченности прецессирует, спиновый ток будет поддерживаться постоянно.

Читайте также:  Электродвигатель постоянного тока картинки

Рис. 6. Микроскопический физический механизм работы магниторезонасной «спиновой батарейки»: а) заполнение энергетических подзон со спином верх и вниз в ферромагнетике, находящимся в равновесии, б) смещение подзон, вызванное изменением направления вектора намагниченности М, которое приводит к релаксации (красная стрелка) и соответственно спиновому току, в) заполнение энергетических подзон со спином верх и вниз в ферромагнетике после релаксации.

Рис. 7. Схема инжекции спинового тока JS из ферромагнетика (Ф), в котором возбуждается ферромагнитный резонанс, в немагнитный металл (М).

3. Перспективные материалы для «спиновых батареек» и способы их отбора

Количественную связь между спиновым током и микроскопическими параметрами ферромагнетика, индуцирующего этот ток определяют константа магнитной анизотропии K (пропорциональна полю анизотропии На) и безразмерный параметром затухания Гильберта α. Единственной методикой определения этих величин является техника электронного спинового резонанса (ЭПР). Поэтому техника ЭПР является ключевой в задаче создания «спиновых батареек».

Принцип работы магниторезонансной «спиновой батарейки», когда прецессия намагниченности возбуждает спиновый ток, является обратным эффекту переключения намагниченности ферромагнетика при пропускании через него спинового тока (см. выше). Для регистрации спинового тока в такой структуре было предложено использовать обратный спиновый эффект Холла, при котором происходит преобразование спинового тока в перпендикулярный ему обычный электрический ток (рис. 4б). Следует отметить, что спиновый ток можно регистрировать также косвенным способом по затуханию прецессии вектора намагниченности М, т.е. по параметру α. Релаксация, определяющаяся параметром α, приводит к уширению линии ферромагнитного резонанса. Возбуждение спинового тока в рассматриваемой «спиновой батарейке» на основе двухслойной гетероструктры создает еще один релаксационный канал, приводящий к дополнительному уширению линии ферромагнитного резонанса. Поэтому техника ЭПР позволяет не только проводить селекцию ферромагнетиков (по параметрам K и α) на пригодность для «спиновых батареек», но также дает инструмент для регистрации спинового тока.

Недостатком магниторезонансного метода генерации спинового тока является необходимость возбуждения в «спиновой батарейке» ферромагнитного резонанса. Это сильно увеличивает стоимость такого элемента, поскольку требует обычно наличия ЭПР спектрометра, включающего высокостабильный однородный магнит. Поэтому заманчивой идеей является такая конструкция «спиновой батарейки», которая бы обходилась без внешнего подмагничивающего поля Н. Принципиальных физических препятствий для этого нет, так в некоторых ферромагнетиках ферромагнитный резонанс может возбуждаться в нулевом внешнем магнитном поле Н = 0. Эта разновидность ферромагнитного резонанса называется естественным ферромагнитным резонансом. Она возможна благодаря тому, что в эффективное поле Н, в котором происходит прецессия вектора намагниченности М, определяется не только полем Н, но также обменным полем Ноб и полем анизотропии На. Недавно было обнаружено, что материалом, в котором возбуждается естественный ферромагнитный резонанс при Н = 0, является экзотическая эпсилон-фаза оксида железа Fe2O3 (рис. 8). Частоту сверхвысокочастотного поля, соответствующую резонансному поглощению, можно изменять в широких пределах, если в образец эпсилон-Fe2O3 вводить различные примеси (алюминий Al, галлий Ga, индий In) (рис. 8). Необычность нового материала связана с тем, что в чистом виде его не удавалось до сих пор выделить. О наличии включений эпсилон-Fe2O3 в массивных образцах альфа-, бета-, и гамма-оксидов железа Fe2O3 было известно давно, вот только методов выделения эпсилон-фазы не было до настоящего времени. Поэтому и о магнитных свойствах этой фазы неизвестно почти ничего. В настоящее время проведены статические измерения намагниченности, получены мессбауэровские спектры, изучена нейтронная дифракция. Однако полученные данные почти ничего не говорят о ключевых параметрах K и α.

Рис. 8. Спектры естественного ферромагнитного резонанса в нанопроволоках эпсилон-Fe2O3 (см. микрофотографию на врезке) с различной концентрацией примеси алюминия.

Необходимым требованием пригодности ферромагнетика для «спиновой батарейки», обходящейся без внешнего подмагничивающего поля Н, является высокая коэрцитивная сила Нс ферромагнетика. Величина Нс однозначно определяет время, в течение которого сохраняется собственное внутренне поле ферромагнетика, позволяющее обходится без подмагничивающего поля Н. Предварительные измерения показали, что эпсилон-фаза оксида железа Fe2O3 обладает рекордным значением коэрцитивный силы, превышающим 2.3 Тесла. Вышеописанные два фактора (наличие естественно ферромагнитного резонанса и сверхвысокая коэрцитивность) делаю эпсилон-фазу оксида железа Fe2O3 фаворитом в гонке за применение в коммерческих магниторезонансных «спиновых батарейках».

Источник

Первый спиновый транзистор на основе кремния открывает путь к электронике нового поколения

Исследовательской группе во главе с Ианом Аппельбаумом из Делавэрского университета (США) удалось передать спин-электронный ток на марафонскую по меркам микроэлектроники дистанцию в 350 мкм сквозь беспримесную кремниевую подложку. Эта пионерская работа обозначила путь к разработке более дешевых, более быстрых и мало энергопотребляющих устройств для обработки и хранения информации.

Спинтроника — электроника нового поколения

Достаточно молодая область современной физики — спиновая электроника, или спинтроника , — притягивает всё больше исследователей многообещающими практическими применениями. Если в традиционной электронике используется обычный электрический ток (перемещаются заряды), то электроника нового поколения основана на ином физическом принципе — в ней перемещаются спины электронов.

Спин электрона (собственный момент количества движения) — это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний — либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разнонаправлены). Обычно электроны в веществе в среднем неполяризованы — электронов со спином вверх и со спином вниз примерно поровну. Орудием спинтроники является ток, создаваемый электронами с однонаправленными спинами (спиновый ток). Для получения достаточно сильного тока необходимо поляризовать спины, упорядочив их в одном направлении. Важно, чтобы еще и время жизни спина (время, в течение которого направление спина не меняется) было достаточно большим для передачи его на нужные расстояния.

Если традиционные электронные устройства, основанные на электрических свойствах вещества, управляются преимущественно приложенным напряжением, то для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле.

В чём секрет повышенного интереса к спинтронике? Во-первых, спиновые приборы будут многофункциональны — они позволят совмещать на одном чипе функции накопителя для хранения информации, детект ора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатор а для последующей ее передачи к другим элементам чипа.

Во-вторых, такие устройства будут обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энерги и, чем устройства традиционной электроники. Это объясняется тем, что переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энерги и, а в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания. При изменении направления спина кинетическая энерги я электрона не меняется, и значит, тепла почти не выделяется. Скорость же изменения положения спина очень высока: эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды).

Эти преимущества позволят спинтронным устройствам стать основой для ЭВМ нового поколения — квантовых компьютеров. Но чтобы это стало возможно, необходимо создать ключевые элементы «спиновых микросхем» — спиновые транзисторы, то есть устройства, в которых можно усиливать, ослаблять или выключать спиновый ток. А на базе спинового транзистора уже будут создаваться новые компьютерные процессоры, сенсоры, перепрограммируемые логические устройства и энергонезависимая быстродействующая память высокой плотности.

Спиновый транзистор: трудно сделать первый шаг

В спиновом транзисторе состояния «включен» и «выключен» зависят от направления спинов электронов, участвующих в токе. Любое спин-электронное устройство, в том числе и спиновый транзистор, должно содержать три основных элемента:

1) механизм для электрического инжектирования (проще говоря «впрыска») спин-поляризованных (то есть выстроенных в выбранном направлении) электронов в полупроводник (будем называть этот механизм «инжектор»),
2) средства для управления спиновым током в полупроводнике (например, приложенное напряжение, заставляющее двигаться электроны),
3) электрическая схема для прецизионного детект ирования (измерения) результирующего спинового тока (будем называть ее « детект ор»).

Но наличия этих трех кирпичиков недостаточно, чтобы построить конечное устройство. Нужно еще добиться высокой эффективности электрической инжекции спинов в полупроводник и достаточной длины диффузии (перемещения) спина. А чтобы спин смог преодолеть это расстояние в полупроводнике и достичь детект ора, он должен обладать достаточным временем жизни. И желательно, чтобы всё это происходило при комнатной температуре (трудно себе представить домашний компьютер с процессором на базе спиновых транзисторов, который работает только при охлаждении его до температуры жидкого гелия!).

Читайте также:  Схема включение lm317 как стабилизатор тока

Человечество уже десять лет вкушает плоды спинтроники в виде компьютерных жестких дисков и прецизионных сенсоров магнитного поля, в которых использован эффект гигантского магнетосопротивления. Именно за открытие этого явления Альбер Фер и Петер Грюнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в этом году. Но создание спинового транзистора и спиновой памяти до сих пор оставалось неразрешимой задачей. Все предыдущие попытки с использованием дорогостоящих технологий и материалов (таких как GaAs, ZnO, CdS) не увенчались успехом: получавшиеся спиновые транзисторы либо работали только при очень низких температурах, либо работали при температурах, близких к комнатной, но имели при этом очень малую величину эффективности, либо позволяли передавать спиновый ток на очень незначительные расстояния, измеряемые сотнями нанометров.

Революция в спинтронике свершилась

И вот настал момент, когда с уверенностью можно сказать, что создан первый в мире спин-электронный транзистор, удовлетворяющий всем перечисленным выше критериям! Причем он создан на базе кремния, которому пророчили позицию аутсайдера в современной электронике.

Исследовательская группа в составе Иана Аппельбаума (Ian Appelbaum) и его аспиранта Бициня Хуана (Biqin Huang) из Делавэрского университета ( University of Delaware ), а также Доу Монмы (Douwe Monsma) из компании «Кембридж НаноТех» ( Cambridge NanoTech ) показала, что спин может быть транспортирован (перемещен) на марафонскую по меркам микроэлектроники дистанцию — 350 мкм. — сквозь беспримесную кремниевую подложку (использование беспримесной подложки позволяет добиться протекания «чистого» спинового тока в полупроводнике, что очень важно для точного детект ирования результирующего сигнала).

Результаты этой пионерской работы были опубликованы 26 октября этого года в престижнейшем физическом журнале Physical Review Letters. До этого та же группа ученых впервые экспериментально продемонстрировала, что спиновый ток можно инжектировать (впрыскивать) в кремниевую подложку, управлять им и измерять его (см. статью в Nature за 17 мая 2007 года).

В работе, опубликованной 13 августа 2007 года в авторитетном журнале Applied Physics Letters , исследователи показали, как достичь очень высокой (на сегодняшний день) степени спиновой поляризации — 37%. Это означает, что от общего числа спинов, поступивших на инжектор, 37% однонаправленных спинов удалось доставить до детект ора. Стопроцентной поляризации соответствует случай, когда все спины, выстроенные в выделенном направлении (чаще всего «спин-вверх»), дошли до детект ора. Так как в реальных системах есть различного рода рассеивания и поглощения (система не идеальная), стопроцентной эффективности пока получить не удается.

Открытие подтверждает, что с кремния — рабочей лошадки современной электроники — можно не снимать упряжку еще многие десятилетия, используя его для создания спин-электронных устройств, таких как спиновый транзистор и спиновая память. Исследователи показали, что кремний уже сейчас может быть использован для совершения многочисленных манипуляций над спином на масштабе в несколько сот микрометров и в течение времени, достаточном для осуществления нескольких тысяч логических операций (десятки наносекунд), тем самым открывая широкую дорогу для спин электронных систем на базе кремния. Соединив в единую схему сотни или даже тысячи созданных спиновых чипов (рис. 1, справа), можно получить сверхбыстродействующее устройство для обработки информации, по своей эффективности превышающее современные процессоры в десятки раз!

Как работает спиновый транзистор

Методика экспериментов, вкратце, такова. Вначале авторы изготовили слоистую структуру, составленную из слоя ферромагнетика, слоя чистого кремния, затем второго слоя ферромагнетика, но уже другого, и наконец слоя кремния с примесями. К разным слоям этой структуры прикладывается специально подобранное напряжение, управляющее течением электронов. Поток электронов на входе неполяризован, но после прохождения ферромагнитной прослойки он приобретает поляризацию — то есть становится спиновым током. Эти электроны попадают в прослойку из чистого кремния, проходят достаточно большую дистанцию, затем попадают во второй ферромагнитный слой и выходят наружу.

Эксперименты показали, что при движении через кремний поляризация электронов частично сохраняется. Благодаря этому, изменяя взаимную ориентацию магнитных полей в двух слоях ферромагнетика, можно включать или выключать спиновый ток на выходе. Это позволяет для осуществления сверхбыстрых логических операций над информацией использовать два устойчивых состояния прибора, при которых ток либо есть (логическая «1»), либо нет (логический «0»), по аналогии с традиционным транзистором, для осуществления сверхбыстрых логических операций над информацией.

Вначале исследователи работали со слойками толщиной примерно 10 мкм, но в последней статье, опубликованной в Physical Review Letters, они увеличили промежуточный слой чистого кремния до 350 мкм — а это уже вполне макроскопический размер. Даже на таких больших расстояниях спиновый ток по-прежнему сохранялся. Таким образом, представленное устройство демонстрирует долгое время жизни спина электрона, за которое он способен преодолеть слой полупроводника толщиной до 350 мкм.

Вид транзистора, принцип действия и зонная диаграмма (диаграмма энергетических состояний барьеров, которые встречают электроны, при прохождении через вещества) показаны на рис. 2.

Следует отметить, что при комнатной температуре транзистор всё же имеет не очень высокую эффективность работы. Хорошие результаты работы прибор показал при температуре (150 K). Так что исследователям еще нужно поработать над увеличением температурных интервалов функционирования транзистора. Авторы уверены, что с помощью их устройства вполне достижима стопроцентная спиновая поляризация, при которой все инжектированные электроны имеют ориентацию либо «спин-вверх», либо «спин-вниз» . Высокая степень поляризация позволяет более точно определять величину спинового тока, избавляя логическое устройство (в данном случае подразумевается конечное устройство на базе массива из спиновых транзисторов) от ошибок при анализе и обработке информации.

Итак, создание революционного устройства — спинового транзистора на кремнии, способного перемещать спины с выделенным направлениям на сотни микрометров в пространстве, — состоялось, ознаменовав тем самым старт для создания сверхбыстрой и низко энергопотребляющей электроники нового поколения. Это первое в мире спин-электронное устройство на кремнии, имеющее высокую степень спиновой поляризации при температуре, близкой к комнатной. По своей важности это событие может быть сравнимо с открытием классического полупроводникового транзистора шесть десятилетий назад. Нам остается только пожелать исследователям новых научных успехов и ждать появления электронной техники нового поколения.

Источник: Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum. Coherent Spin Transport through a 350 Micron Thick Silicon Wafer // Physical Review Letters 99, 177209 (2007); текст доступен также как arXiv:0706.0866 .

См. также:
1) Ian Appelbaum, Biqin Huang, Douwe J. Monsma. Electronic measurement and control of spin transport in silicon // Nature (2007). V. 447. P. 295 (текст доступен также как cond-mat/0703025 ).
2) Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum. Experimental realization of a silicon spin field-effect transistor // Applied Physics Letters 91, 072501 (2007); текст доступен также как arXiv:0705.4260 .

Источник



Физики впервые получили спиновый ток при помощи лазера

Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН в сотрудничестве с зарубежными коллегами впервые показали, что с помощью сверхкоротких лазерных импульсов можно генерировать гигагерцовый спиновый ток. Новый метод позволит создавать высокочастотные наноразмерные спинтронные устройства. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Physical Review B. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Спинтроника — относительно молодое направление физики твердого тела, оно сформировалось в 80-е годы XX века. Исследования в этой области направлены на создание устройств, основанных на спиновом токе, то есть на переносе спина, а не заряда. Каждый электрон, помимо заряда, обладает собственным магнитным моментом — спином. Спин электрона имеет несколько возможных состояний, которые часто описываются как его направление, например, вверх и вниз. Ансамбль спин-поляризованных, то есть имеющих спины одинакового направления, электронов составляет намагниченность материала. С использованием спинов электронов в ферромагнитных материалах, обладающих постоянной намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля, сегодня кодируется и хранится информация в широко распространенных устройствах магнитной записи. Возможность переноса информации, кодированной в спиновой поляризации, позволит создать принципиально новый вид логических микросхем, в которых будут минимизированы тепловые потери. Их функциональность будет значительно шире, так как у спина существует больше возможных состояний, чем у заряда электрона.

Читайте также:  Урок по физике в 8 классе контрольная работа по теме электрический ток

Один из методов генерации чисто спинового тока — спиновая накачка. За счет круговых колебаний ансамбля спинов (прецессии намагниченности), происходящих в ферромагнетике, в сопряженном с ним немагнитном металле создается спиновый ток на частоте прецессии. Традиционно для возбуждения прецессии используют микроволновое излучение. Коллектив физиков из России, Германии, Украины и Великобритании впервые показал, что вместо микроволн можно применять сверхкороткие лазерные импульсы. Это позволяет точнее регулировать параметры прецессии, поскольку лазерные импульсы влияют на намагниченность через разные механизмы, а лазерный луч можно сфокусировать даже в пятно нанометрового масштаба, используя специальные наноплазмонные антенны.

В эксперименте физики использовали так называемый спиновый затвор — структуру из двух нанометровых слоев ферромагнетика (сплава железа и галлия), разделенных прослойкой немагнитной меди. Для запуска прецессии и ее обнаружения использовался метод накачки-зондирования (pump-probe). Один мощный лазерный импульс от фемтосекундного твердотельного лазера запускал прецессию намагниченности в ферромагнитных слоях. Второй импульс, менее мощный, попадал на образец позже первого. Исследователи измеряли поляризацию второго импульса при отражении от образца, чтобы определить, как ориентированы ансамбли спинов в двух слоях. Эксперимент повторялся с разным временем задержки второго импульса, и в результате ученые получили траекторию прецессии намагниченностей ферромагнитных слоев.

Детектирующая часть установки

В результате исследователи доказали, что одновременный запуск в обоих ферромагнитных слоях прецессии намагниченности приводит к возникновению противоположно направленных спиновых токов в слое меди. Это значит, что могут быть разработаны миниатюрные (даже наноразмерные) генераторы спинового тока, запускаемые лазерными импульсами, более функциональные, чем микроволновые. Кроме того, исследователи обнаружили результат, интересный с точки зрения фундаментальной физики: между колеблющимися намагниченностями двух ферромагнитных слоев образовалась динамическая диссипативная связь. Это такой тип связи, при котором взаимодействие двух колеблющихся объектов влияет на время затухания колебаний. Исследователи изменяли силу связи между слоями, регулируя разницу в частоте прецессии их намагниченностей. В условиях резонанса, когда частоты совпадали, две прецессирующие намагниченности образовывали связанное состояние со сложным двухэтапным затуханием. Наблюдать такое проявление диссипативной связи между двумя прецессирующими намагниченностями ранее не удавалось. Обычно в опытах по спиновой накачке используются микроволны, которые запускают вынужденную прецессию намагниченностей на фиксированной частоте. Воздействие микроволн на слои ферромагнетика можно сравнить с постоянным раскачиванием на одной частоте двух связанных маятников. Короткие лазерные импульсы позволяют толкнуть маятники коротким «щелчком», то есть запустить свободную прецессию одновременно в двух слоях, и затем следить за их взаимодействием, когда на них уже не действует вынуждающая сила. Именно благодаря этому удалось пронаблюдать сложное поведение связанных прецессий намагниченностей.

Авторы работы от ФТИ имени А.Ф. Иоффе: Алексей Щербаков, Александра Калашникова и Леонид Шелухин

«Новый способ управления спиновыми токами будет полезен для создания оптически управляемых высокочастотных спиновых наногенераторов и других спинтронных устройств, в которых важны нанометровый масштаб и высокая энергоэффективность. Такие устройства могут найти широкое применение в самых разных областях — от нейроморфных сетей до магнитной томографии со сверхвысоким разрешением, — поясняет соавтор работы Алексей Щербаков из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН. — Результаты исследования представляют и фундаментальный интерес. Несмотря на то, что структуры типа «спиновый затвор» подробно изучены, именно предложенный нами метод оптической генерации спинового тока позволил выявить специфику взаимодействия намагниченностей — диссипативную связь. Физические системы, в которых такой тип связи может быть реализован и исследован экспериментально, крайне малочисленны. Между тем диссипативная сильная связь относится к квантовым эффектам, а наблюдение аналогов подобных процессов в объектах классической физики сейчас вызывает значительный интерес. Мы показали, что «спиновый затвор», хорошо изученное и сравнительно простое устройство, может быть модельным объектом для таких исследований».

Источник

Прорыв в спинтронике

Ученые из IBM Research и ведущего европейского образовательного и научно-исследовательского центра ETH Zurich впервые в истории получили изображения формирования стабильной спиновой спирали в полупроводнике.

­
­
­
­

«Обычно подобные спины электронов быстро меняют и теряют свою ориентацию. Но нам впервые удалось найти способ выравнивания их свойств в регулярный цикл смены спинов»
­
­
­
­
­
­

Немного о спинтронике

Спинтроника (или спиновая электроника) — достаточно молодая область современной физики, привлекающая многих исследователей многообещающими практическими применениями.
Ее отличие от традиционной электроники заключается в том, что если в обычном электрическом токе перемещаются заряды, то в электронике нового поколения перемещаются спины электронов.
Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний − либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разно-направлены).

«Вращение» электрона и его верхней и нижней ориентации кодирует логические биты в системе. При кодировании битов ученые предлагают ориентироваться на физическое пространство, в котором находится электрон. Электрон, ось которого направлена условно вверх, принимают за логическую единицу, а электрон, ось которого направлена условно вниз — за логический ноль.

В чем состоит миссия спинтроники?
В ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.
В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется.
Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.
По словам ученых из IBM, электроны очень быстро меняют спины – на переключение тратится около 100 пикосекунд (1 пикосекунда – одна триллионная доля секунды). И в этом заключается основная проблема – 100 пикосекунд недостаточно, чтобы микросхемы успели зафиксировать изменение состояния в системе.

Несмотря ни на что

Исследователи из IBM разработали метод синхронизации электронов, увеличив время спина в 30 раз — до 1 наносекунды (что равняется циклу микропроцессора с частотой 1 Гигагерц).
­

­
­
­
­
­

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.
Теперь же 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».

В лабораториях IBM Research ученые использовали ультракороткие лазерные импульсы для наблюдения за перемещениями тысяч спинов электронов, которые были запущены во вращение одновременно в пределах сверхмалой области.
Исследователи IBM применили методику сканирующего микроскопа с временным разрешением и получили изображения синхронного «вальса» спинов электронов. Синхронизация вращения спинов электронов позволила наблюдать их перемещение на расстояния более 10 микрон (одной сотой миллиметра), что увеличило 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 был изготовлен на основе арсенида галлия (GaAs) учеными из ETH Zurich. 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. Сегодняшние исследования 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).
Но, в любом случае, новое открытие дает контроль над движением магнитных «зарядов» в полупроводниковых устройствах и открывает новые возможности и перспективы для создания малогабаритной и энергосберегающей электроники.

Источник