Что такое спиновый переход

СПИНОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ВОЗМОЖНАЯ ПРИРОДА МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ СОСТОЯНИЙ

Боярский Л.А.

Профессор, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физических методов исследования твердого тела,

ФГАОУВО Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

СПИНОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ВОЗМОЖНАЯ ПРИРОДА МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ СОСТОЯНИЙ

Аннотация

В металлорганическом соединении Fe(t(DMPz)M)₂(ClO₄)₂ при понижении температуры ниже 220 К наблюдается спиновый переход из высокоспинового в промежуточное состояние. Восприимчивость обеих фах подчиняется закону Кюри-Вейсса, дальний магнитный порядок не наблюдается.

В квазибинарной системе LaCo_1-xRh_xO₃ исходные компоненты LaCoO₃ и LaRhO₃ при низких температурах находятся в низкоспиновых, немагнитных состояниях. Допирование родием при х более 0,04 наблюдается спиновый переход в состояние с кюри-вейссовской восприимчивостью, а при определенном повышении концентрации возникает магнитоупорядоченная фаза спинового стекла. Природа этого перехода связывается с ролью взаимодействия Дзялошинского – Мория.

Ключевые слова: правила Хунда, спиновые переходы, взаимодействие Дзялошинского – Мория.

Boyarsky L.A.

Professor, Doctor of sciences (Physics and Mathematics), professor of department for research of solid state solids,

Novosibirsk research state university

SPIN TRANSITIONS AND POSSIBLE NATURE OF THE LONG DISTANT MAGNETIC STATES

Abstract

In organo-metallic compound Fe (t (DMPz) M) ₂ (ClO₄) ₂ as the temperature decreases to 220 K takes place the spin transition from high spin state to intermediate one. The susceptibilities of both phases obeys to Kurie-Weiss law, the high distance magnetic order not observed.

In the system LaCo_1-xRh_xO₃ the initial components LaCoO₃ and LaRhO₃ at the low temperatures are in the low spin, nonmagnetic states. Rhodium doping at x> 0.04 drives to spin transition in paramagnetic (Kurie-Weiss) state, and at certain pinch of concentration there is a phase of a spin glass. The nature of this transition contacts a role of interaction Dzjaloshinsky – Moria.

Keywords: Hund’s rules, spin transitions, Dzyaloshinsky-Moriya interaction.

Хорошо известны примеры влияния на зарядовую (спиновую) подсистему вещества особенностей ионного окружения – группы симметрии решетки, примесей и дефектов структуры. Это, в частности, фазовые переходы металл–диэлектрик (металл–полупроводник), возникающие как следствие структурных превращений. Самый хрестоматийный пример – «оловянная чума», известная как причина гибели полярной экспедиции, хранившей запас воды в оловянных емкостях. Другой пример – электронные превращения в двуокиси ванадия VO₂. Известно, что двуокись ванадия при понижении температуры ниже T_c = 340 К испытывает фазовый переход первого рода металл-диэлектрик (или, по другим данным, металл-полупроводник). При переходе изменяется симметрия решетки [1].

Вернемся, однако, к проблеме, имеющей непосредственное отношение к заголовку статьи. Нет правил без исключений. Это высказывание справедливо даже по отношению к такой, казалось бы, незыблемой закономерности, как упорядочение спинов при заполнении электронных оболочек переходных элементов (правила Хунда). Согласно этим правилам электроны в частично заполненной оболочке (например, d-оболочке для элементов группы железа) располагаются с учетом принципа Паули так, чтобы оболочка обладала максимальным спиновым моментом S и максимальным орбитальным моментом L (при данном S). Тогда полный момент J = (L – S) для оболочки, заполненной менее чем наполовину (все спины параллельны) и J = L + S, если число спинов более половины «вакантных» мест. Например, для 3d-оболочки железа, имеющей 6 электронов, суммарный спин равен 2 (одна пара электронов с антипараллельными спинами и 4 электрона с параллельными).

Рис. 1–Диаграмма.энергетических уровней, образующихся в результате расщепления d-орбиталей в октаэдрическом поле лигандов. а – свободный атом; б – в сферическом и октаэдрическом поле

Рис. 2 – Диаграмма возможных высоко- и низкоспиновых состояний с конфигурацией d 6

Эти превращения наблюдаются, например, в качестве «побочного» эффекта при изучении магнитоупорядоченных состояний в упомянутых металлорганических соединениях. Цель таких исследований заключается, как правило, в поиске новых ферромагнитных материалов с низкой плотностью и высокими значениями точек Кюри и магнитных моментов насыщения. Поэтому, когда в результате синтеза не получаются соединения, обладающие магнитоупорядоченной фазой, эксперимент считается неудачным. Однако, если при этом наблюдаются спиновые переходы, то возникает возможность изучения этого явления «в чистом виде». Далее мы обсудим магнитные свойства именно таких «бракованных» образцов.

На рис. 3 представлены результаты измерения магнитной восприимчивости одного из таких соединений.

Рис. 3 – Температурная зависимость обратной магнитной восприимчивости одного из металлоорганических соединений

Отчетливо виден несколько размытый фазовый переход, при этом характерно, что оба состояния с точностью до погрешности эксперимента остаются чисто парамагнитными (обе кривые экстраполируются в начало координат).

На рис. 4 показано температурное изменение магнитного момента при фазовом переходе в этом же образце. Виден небольшой температурный гистерезис. По-видимому, при низких температурах имеет место упомянутое выше промежуточное спиновое состояние.

Рис. 4 – Изменение магнитного момента при фазовом переходе. Момент указан в магнетонах Бора

Разработанной последовательной микроскопической теории спиновых переходов пока не существует. Дело ограничивается феноменологическими подходами, рассмотрением различных вкладов в энергетику вещества. Такой подход зачастую достаточен с точки зрения материаловедов, однако не может удовлетворить общему для физиков-теоретиков стремлению получить четкую и однозначную картину всех наблюдаемых процессов и явлений.

В том случае, когда в системе не наблюдается ярко выраженный фазовый переход, принято говорить о кроссовере. Однако, с точки зрения физики фазовых переходов, спиновая подсистема вдали от этого кроссовера слева и справа находится в разных состояниях. Это означает, что произошел фазовый переход. Необычайно большая «размазка» этого перехода, на наш взгляд, может быть связана с сильной неоднородностью вещества, образованием своеобразной доменной структуры со своей для каждого домена температурой спинового перехода.

В приведенном выше примере возникновение высокоспинового состояния не приводит к появлению того или иного типа магнитного упорядочения. По-видимому, трансформация кристаллического поля спровоцировала переход в спиновой подсистеме, однако существующей в веществах, содержащих ионы магнитоактивных элементов, обменной энергии в данном случае оказалось недостаточно для организации, например, ферромагнетизма.

Для того, чтобы проследить, как возникает дальний магнитный порядок в связи со спиновым переходом, можно обратиться к более простым, по сравнению с металлоорганическими соединениями, объектам. Речь пойдет о квазибинарной системе LaCo_1-xRh_xO₃ [2]. Исходные компоненты LaCoO₃ и LaRhO₃ при низких температурах находятся в низкоспиновых, немагнитных состояниях.

Спиновая конфигупвция иона Co 3+ в перовскитном кристалле лантан-кобальт изменяется с температурой и давлением. Ион Co 3+ (3d 6 ) окружен шестью октаэдрически координированными ионами кислорода. Соответствующие орбитали кобальта расщепляются на высокоэнергетические e_g и низкоэнергетические t_2g (расщепление в кристаллическом поле). Ион кобальта оказывается в высокоспиновом состоянии (e-2, t-4, S = 2) когда хундовское спаривание больше расщепления от кристаллического поля, в противном случае наблюдается низкоспиновое состояние (e-0, t-6). Имеет место также промежуточное состояние (e-1, t-5, S=1) при учете конечных переходов между e-орбиталями и 2р-орбиталями кислорода. Основное состояние трехвалентного иона кобальта в лантановом перовските ниже 100 К – низкоспиновое. Однако, как показано в разных теоретических и экспериментальных работах, имеют место также возбужденные состояния.

В квазибинарных соединениях LaCo_1-xM_xO₃ наблюдаются аномалии, отличающиеся в силу различного влияния замещающих ионов на спиновое состояние иона кобальта. В случае родия при х более 0,04 наблюдается спиновый переход в состояние с кюри-вейссовской восприимчивостью. Из общих соображений разницу в поведении указанных квазибинарных соединений следует отнести на счет того, что родий – это 4d-элемент, электроны его незаполненной 4d-оболочки могут играть существенную роль в организации кооперативных явлений в перовскитах.

В цитируемой работе [2] приведены результаты всестороннего исследования серии поликристаллических образцов LaCo_1-xRh_xO₃ при значениях x от нуля до 0,9. Основное внимание уделено кристаллофизическим и магнитным измерениям.

Структурные исследования показали, что, хотя при х = 0,2 структура меняется от ромбоэдрической на орторомбическую, решеточный объем, равно как и параметр решетки a меняются непрерывно, увеличиваясь с ростом концентрации ионов родия.

Рис. 5 – Температурные зависимости намагниченности, измеренного в поле 1 Т. Намагниченность в магнетонах Бора на формульную единицу, температура в Кельвинах [2]

На рис. 5 представлены результаты измерений магнитного момента (на формульную единицу) в поле 1 Т от температуры для всех образцов. Отчетливо видно, что при значении x = 0,1 имеет место переход из низко- в высокоспиновое состояние уже при самых низких температурах. Полученные температурные зависимости магнитного момента для всех квазибинарных образцов подчиняются закону Кюри — Вейсса. Константа θ принимает значения от –80 до –300 К для разных образцов, что свидетельствует об антиферромагнитном характере взаимодействия. Однако как показали дальнейшие измерения, все не так просто.

Рис. 6 –Температурные зависимости магнитного момента, измеренные как в отсутствие поля (ZFC), так и для образца, охлажденного в поле (FC). Измерительное поле составляло 0,05 Т [2]

Обратимся к рис. 6 и 7. На первом из них показаны результаты температурных измерений магнитного момента образца с x = 0,2, охлажденного как в отсутствие магнитного поля (ZFC), так и в магнитном поле (FC). Эти данные соответствуют типичному поведению спинового стекла. Хорошо известно, что подобные фазы наблюдаются в металлических сплавах, содержащих небольшие примеси переходных элементов. В этих веществах взаимодействие спиновых моментов примесных атомов происходит через электроны проводимости (взаимодействие РККИ) – дальнодействующее и знакопеременное. В неупорядоченных сплавах возникают фрустрации, приводящие к «замораживанию» спиновых моментов в отсутствие выделенных направлений. При наложении достаточно большого магнитного поля происходит намагничивание системы, как правило, не слишком отличающееся от линейного.

Анализируя представленные авторами публикации результаты, прежде всего, нужно заметить, что в данном случае мы имеем дело с диэлектрическими образцами. Взаимодействие между спиновыми моментами кобальта здесь происходит по механизму косвенного обмена, что при повышенных температурах приводит к парамагнетизму ланжевеновского типа. Замещение части ионов кобальта ионами родия вызывает, с одной стороны, изменение группы симметрии решетки, с другой, в силу неоднородности (неупорядоченности) квазибинарных растворов, возникает дополнительное обменное взаимодействие, которым, на наш взгляд, является взаимодействие Дзялошинского – Мория [3, 4]. Именно оно несет ответственность за наблюдаемый кооперативный эффект. На рис. 8 представлена зависимость температуры магнитного фазового перехода от концентрации родия. Ясно, что взаимодействие между спинами кобальта при повышении концентрации родия должно ослабевать.

Рис. 7 – Концентрационная зависимость температуры магнитного превращения [2]

Возникновение фазы спинового стекла в диэлектрических системах не является новостью. Подобного рода явление было отмечено еще несколько десятилетий назад. Вопрос заключается лишь в определении механизмов (взаимодействий), приводящих к подобному эффекту.

Авторы работы [2] интерпретируют полученные ими данные как возникновение ферромагнитной (слабый ферромагнетизм антиферромагнетиков) фазы при определенной концентрации родия в квазибинарном растворе. Действительно, в поле порядка 1 Т наблюдается поляризованная магнитная фаза, намагничивание растет с увеличением поля. Однако данные тех же авторов, полученные в поле 0,05 Т, измеренные при охлаждении образцов в магнитном поле и без него, соответствуют типичному поведению спинового стекла. В любом случае справедливым представляется не сделанное авторами указанной статьи утверждение, что в неупорядоченном квазибинарном растворе, содержащем магнитоактивные ионы кобальта, при определенных условиях превалирующим оказывается взаимодействие Дзялошинского – Мория.

Еще один пример, иллюстрирующий влияние изменений кристаллического поля на магнитное состояние структуры, состоящей из немагнитных компонентов, приведен в работе [5].

Одну из последних (по времени) попыток найти адекватное (но снова таки феноменологическое) описание спиновых переходов, на этот раз в соединениях кобальта, можно найти в статье [6].

Что касается теории промежуточного спинового состояния, то здесь известна одна попытка дать теоретическое объяснение этого явления [7], но и в этом случае речь идет лишь о феноменологическом подходе. Совсем недавно опубликована работа [8], в которой содержится попытка микроскопического описания всего комплекса спиновых переходов, явно связанного с нетривиальными конкурирующими взаимодействиями.

В заключение следует отметить, что при низких температурах в перовските LaCoO₃ ионы кобальта находятся в октаэдрическом окружении, приводящем к низкоспиновому состоянию. При повышении температуры решетка становится орторомбической, а ионы кобальта переходят в высокоспиновое состояние. Взаимодействие между этими ионами при этом оказывается недостаточным для возникновения магнитоупорядоченной структуры. Добавление ионов родия приводит к изменению группы симметрии в неупорядоченном твердом растворе. Это, в соответствии с представлениями Дзялошинского и Мория, приводит к возникновению дополнительного обменного поля, что и становится причиной наблюдаемой на опыте фазы спинового стекла.

Источник

Физики нашли новый материал для создания квантовых устройств

Московские физики совместно с испанскими коллегами показали, что альтернативой неорганическим материалам в спинтронике могут стать так называемые молекулярные магнетики. Испытанные авторами комплексы железа с органическими молекулами удовлетворяют жестким требованиям для разработки сверхбыстрых квантовых устройств. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition.

На смену привычной нам электронике, в устройствах которой протекают потоки электронов, постепенно приходит спиновая электроника, или спинтроника. Она использует токи собственных магнитных моментов частиц проводящего материала — спины.

«Чаще всего для построения элементов спинтронных устройств применяют неорганические материалы. Мы же предложили альтернативу — молекулярные магнетики, в нашем случае комплексы железа с органическими соединениями. Такие системы обладают магнитными свойствами, которые можно контролировать, изменяя фрагменты молекулы. Способы их синтеза довольно просты и отработаны, но к ним предъявляют высокие требования, особенно касающиеся возможности существования двух магнитных состояний: высоко- и низкоспинового. В первом материал притягивается магнитным полем, а во втором — практически не взаимодействует с ним. Переключение между состояниями важно для реализации основных функций спинтронных устройств», — рассказывает Валентин Новиков, доктор химических наук и заместитель директора по научной работе в ИНЭОС РАН.

Сотрудники Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова (Москва) и Московского физико-технического института (Москва) вместе с испанскими коллегами представили компьютерную модель, в рамках которой комплексы двух ионов железа с органикой представляют собой звенья одной проводящей цепи. Ионы металла могут быть в одном из двух состояний — высоко- (В) или низкоспиновом (Н). При этом не обязательно состояние обеих частиц совпадет, потому в сумме каждое звено цепи имеет четыре варианта: В-В, Н-Н, В-Н или Н-В. Они превращаются друг в друга, но последний переход отследить сложнее всего, поскольку эти состояния отличаются лишь симметрией. Ученым удалось зафиксировать их при помощи довольно необычного подхода — парамагнитной версии спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Все дело в том, что высокоспиновое состояние соединения приводит к непредсказуемым сдвигам и уширению пиков на спектре. Однако в данной ситуации именно эти аномалии позволили авторам впервые зарегистрировать переход между ними.

«Изученные нами системы представляют интерес для внедрения так называемых молекулярных клеточных автоматов — устройств, потенциально позволяющих создать альтернативную полупроводникам технологию для обработки информации, характеризующуюся низким энергопотреблением и тепловыделением. Такой спиновый переход является типичным примером молекулярной бистабильности и может быть положен в основу устройств хранения информации в будущем. Решение указанной проблемы внесет важный вклад в одно из приоритетных направлений развития науки — создание новых типов функциональных материалов для техники и технологий, в первую очередь — для использования в качестве компонентов молекулярной электроники: наноразмерных сенсоров, переключателей и логических устройств», — отметил Валентин Новиков.

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, детектора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатора для последующей ее передачи к другим элементам чипа.

Во-вторых, такие устройства будут обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники. Это объясняется тем, что переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания. При изменении направления спина кинетическая энергия 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 детектирования (измерения) результирующего спинового тока (будем называть ее «детектор»).

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 детектора, 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!).

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 арсенид галлия GaAs, оксид цинка ZnO, сульфид кадмия 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 детектирования 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 детектора. Стопроцентной поляризации соответствует случай, когда все спины, выстроенные в выделенном направлении (чаще всего «спин-вверх»), дошли до детектора. 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, достаточного 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 работе, 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.

На первом этапе при приложенном напряжении V_e неполяризованные электроны инжектируются из алюминиевого эмиттера (источника) в ферромагнитный слой Co₈₄Fe₁₆. Благодаря спин-зависимому рассеиванию электронов в магнитном слое, электроны с выделенным направлением спина (например, «спин-вниз») отсеиваются, так как направление намагниченности слоя Co₈₄Fe₁₆ не совпадает с направлением спинов. Отобранные электроны с однонаправленными спинами туннелируют через тонкий слой Al₂O₃. В данном случае туннельный барьер проходят только «горячие» электроны (с энергией, достаточно высокой для преодоления энергетических барьеров), создавая эмиттерный ток (ток источника). «Горячие» электроны нужны для увеличения эффективности прибора.

Пройдя через барьер Шоттки (потенциальный барьер, возникающий на границе металл—полупроводник) в беспримесный монокристаллический слой кремния, электроны занимают свободные места в зоне проводимости полупроводника и, под действием приложенного к нему напряжения V_c1, начинают упорядоченное движение. При этом возникает коллекторный ток I_c1 (ток на детекторе). После прохождения через 350-микрометровый слой кремния спин-поляризованные электроны детектируются вторым спиновым транзистором. Ферромагнитный слой Ni₈₀Fe₂₀ регистрирует спины электронов, которые инжектируются в кремний n-типа (то есть кремний, основными носителями тока в котором являются электроны) для увеличения чувствительности детектора (в зоне проводимости кремния n-типа есть избыточные электроны, которые усиливают спиновый ток), создавая коллекторный ток I_c2. Спиновый ток зависит от относительной намагниченности обоих ферромагнитных слоев.

На рис. 3 показан механизм работы детектора. В случае параллельного направления намагниченностей в слоях Co₈₄Fe₁₆ и Ni₈₀Fe₂₀ (рис. 3а) ток выше, чем при антипараллельном направлении намагниченностей (рис. 3b). Первый режим функционирования детектора можно сравнить с футбольным матчем без вратаря: все мячи, посланные в сетку ворот, оборачиваются голом. Второму же режиму соответствует игра с очень хорошим голкипером, отражающим все летящие в ворота мячи.

Итак, создание революционного устройства — спинового транзистора на кремнии, способного перемещать спины с выделенным направлением 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 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