Преобразователи спинового заряда — важные устройства в спинтронике, электронике, которая основана не только на заряде электронов, но также на их спине и связанном со спином магнетизме. Преобразователи спинового заряда позволяют преобразовывать электрические сигналы в магнитные и наоборот. Недавно исследовательская группа профессора Хайро Синова из Института физики Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце в сотрудничестве с исследователями из Великобритании, Праги и Японии впервые реализовала новый эффективный преобразователь спинового заряда на основе обычного полупроводниковый материал GaAs.
Сопоставимая эффективность до сих пор наблюдалась только у платины, тяжелого металла. Кроме того, физики продемонстрировали, что эффективность создания или обнаружения спиновых токов электрически регулируется в определенном режиме.
Это важно, когда речь идет о реальных устройствах. Механизм, лежащий в основе, который был обнаружен в теоретических работах группы Sinova, открывает новый подход к поиску и инженерии материалов спинтроники. Эти результаты недавно были опубликованы в журнале Nature Materials.
Спинтроника не только использует заряд электрона для передачи и хранения информации, но также использует спин электрона. Спин можно рассматривать как вращение электрона вокруг собственной оси, и он создает магнитное поле, как небольшой магнит.
В некоторых материалах спины электронов спонтанно выравнивают свое направление, что приводит к хорошо известному явлению ферромагнетизма, например в железе. Кроме того, направления «вверх» или «вниз» могут использоваться для представления двух легко различимых состояний — 0 и 1 — используемых в информационных технологиях. Это уже используется для приложений памяти, таких как компьютерные жесткие диски.Использование электронного спина для передачи и хранения информации позволяет разрабатывать электронные устройства с новыми функциями и более высокой эффективностью.
Чтобы по-настоящему использовать спин электрона, необходимо точно управлять им: он должен быть выровнен, передан и обнаружен. Работа Синова и его коллег показывает, что это можно сделать с помощью электрических полей, а не магнитных. Таким образом, очень эффективные, простые и точные механизмы манипулирования зарядом, хорошо отработанные в полупроводниковой электронике, могут быть перенесены в мир спинтроники и, таким образом, объединить физику полупроводников с магнетизмом.Конвертеры спинового заряда являются для этого незаменимыми инструментами.
Они могут преобразовывать зарядовые токи в спиновые и наоборот. Основным принципом этих преобразователей является так называемый спин-эффект Холла. Хайро Синова уже принимала участие в предсказании и открытии этого релятивистского явления в 2004 году.Эффект спинового Холла возникает, когда электрическое поле перемещает электроны через (полупроводниковую) пластину.
Взглянув на классический эффект Холла, известный из физики бакалавриата, взаимодействие движущихся электронов и внешнего магнитного поля заставляет электроны перемещаться к одной стороне пластины перпендикулярно их первоначальному направлению. Это приводит к так называемому напряжению Холла между обеими сторонами пластины. Для спин-эффекта Холла электронные спины генерируются путем облучения образца светом с круговой поляризацией.
Спины электронов тогда параллельны или антипараллельны, и их направление перпендикулярно пластине и направлению движения. Движущиеся электронные спины теперь прижимаются к одной или другой стороне пластины, в зависимости от ориентации спина.
Движущей силой этого является так называемая спин-орбитальная связь, релятивистский электромагнитный эффект, влияющий на движущиеся спины электронов. Это приводит к разделению обеих ориентаций спинов.Чтобы использовать этот эффект на практике, необходимо получить высокоэффективное спиновое разделение.
До сих пор платина была наиболее эффективным материалом для преобразования спинового заряда, так как это тяжелый металл, а спин-орбитальная связь тяжелых металлов, как известно, особенно сильна из-за большого количества протонов (положительный заряд) в их ядро.Синова и его коллеги показали, что арсенид галлия (GaAs), очень распространенный и широко используемый полупроводниковый материал, может быть таким же эффективным преобразователем спинового заряда, как платина, даже при комнатной температуре, что важно для практических приложений.
Более того, физики впервые продемонстрировали, что эффективность можно непрерывно регулировать, изменяя электрическое поле, которое движет электроны.Причина этого — как показали теоретические расчеты группы Синова — кроется в существовании определенных впадин в зоне проводимости полупроводникового материала.
Можно представить себе зону проводимости и ее долины как автомобильную магистраль с разными полосами движения, каждая из которых требует определенной минимальной скорости. Приложение более сильного электрического поля позволяет переходить с одной полосы движения на другую.Поскольку спин-орбитальная связь различна в каждой дорожке, переход также влияет на силу эффекта спинового холла.
Изменяя электрическое поле, ученые могут распределять спины электронов по разным дорожкам, изменяя, таким образом, эффективность своего преобразователя спин-заряд.Принимая во внимание впадины в зоне проводимости, Синова и его коллеги открывают новые пути поиска и разработки высокоэффективных материалов для спинтроники.
Тем более, что современные технологии выращивания полупроводников способны спроектировать уровни энергии впадин и силу спин-орбитальной связи, например путем замены Ga или As другими материалами, такими как алюминий.