Ученые IBM все ближе к использованию спинтроники в вычислительной технике

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).