Спиновые токи в топологических изоляторах под контролем

Ученые показали, как спин-поляризованные токи могут быть инициированы управляемым способом внутри образцов топологического изолятора. Кроме того, они были в состоянии управлять ориентацией спинов этих токов. Таким образом, они продемонстрировали, что этот класс материалов подходит для обработки данных на основе спина.

Будущие информационные технологии должны использовать значительно меньше энергии для обработки данных. Один перспективный класс материалов для этого – это топологические изоляторы. Топологические изоляторы отличаются тем, что электроны на поверхности чрезвычайно подвижны, в то время как внутри материал является диэлектриком и не проводит электричество. Так как электроны одновременно несут в себе магнитный момент (спин), топологические изоляторы могут также использоваться для компонентов спинтроники. Спинтронные компоненты будут основаны не на движении носителей заряда, таких как электроны (как в полупроводниковых компонентах), а на транспорте или манипулировании их спинами. Это потребовало бы значительно меньше энергии.

Международная команда во главе с физиком Хайме Санчес-Баррига (Jaime Sánchez-Barriga) из Берлинского центра им. Гельмгольца (HZB) показала, как можно управлять спинами электронов в топологических изоляторах. Команда исследовала образцы сурьмы-теллурида, топологического изолятора, используя лазерный свет с круговой поляризацией. Физики были в состоянии инициировать и направлять токи электронов, спины которых ориентированы параллельно (т. е., спин-поляризованные токи), используя "направление вращения" лазерного луча. Кроме того, они достигли успеха также в изменении ориентации спинов. В команду входили экспериментаторы из Института Макса Борна в Берлине и Университета им. Ломоносова в Москве совместно с теоретиками из Университета Людвига-Максимилиана, Мюнхен (LMU). Работа была опубликована в Physical Review B.

«Если бы можно было использовать магнитно-легированные топологические изоляторы, то можно было бы также, вероятно, хранить спиновые состояния, - объясняет Оливер Радер (Oliver Rader), который возглавляет исследовательскую группу зеленой спинтроники в HZB. - Однако для того чтобы это исследовать, а также быть в состоянии исследовать динамическое поведение магнитных моментов, в частности, необходимы ультракороткие световые импульсы в мягкой рентгеновской области. Такого рода эксперименты могут стать стандартом после запланированного обновления источника синхротронного излучения BESSY II до BESSY-VSR».

На рисунке изображена характерная ориентация спина (стрелки) электронов в топологическом изоляторе (внизу). При облучении лазерным импульсом с круговой поляризацией спины возбуждаются и устанавливаются вверх или вниз. Это может быть доказано с помощью второго линейно поляризованного лазерного импульса (вверху)