Ученые корпорации 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.
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.
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.
