Ученые IBM добились прогресса на пути использования спинтроники

Исследователи IBM и ведущего европейского университета ETH Zurich предложили метод синхронизации спинов электронов и способ формирования стабильной спиновой спирали в полупроводнике.

Современные вычислительные технологии используют для кодирования данных электрический заряд электронов, но эта техника имеет ряд ограничений, связанных с возможностью управлять потоком электронов. Им на смену могут прийти технологи, использующие спин-поляризованный транспорт заряда в твердотельных веществах. До настоящего момента не было понятно, может ли спин электрона сохранять информацию. Ученым удалось показать, что синхронизация электронов продлевает время жизни спина каждого электрона в 30 раз, до 1,1 нс – времени одного цикла работы процессора с тактовой частотой 1 ГГц.

Обычно спины электронов формируются случайно, и их ориентация быстро меняется, но под действием ультракоротких импульсов лазера спины электронов формируют определенный шаблон в виде ленты, так называемую стабильную спиновую спираль. Сама концепция стабилизации спина была предложена в теоретических работах в 2003 г., с тех пор ученые пытались реализовать ее на практике. Синхронизация спинов электронов позволила наблюдать спиновой перенос более чем на 10 мкм, что означает возможность использования спина для логических операций, быстрых и энергоффективных.

Правда, до реализации новой технологии на практике еще очень далеко – все исследования спинов проводятся в лабораторных условиях при очень низких температурах, когда электроны минимально взаимодействуют с окружающей средой. В частности, специалисты IBM и ETH Zurich ставили эксперименты при 40 K (-233°C).

Исследования проводились при финансовой поддержке Швейцарского национального научного фонда (Swiss National Science Foundation). Результаты работы опубликованы в статье «Direct mapping of the formation of a persistent spin helix» в журнале Nature Physics.

a) при движении электрона вдоль оси y спины É+ и É– движется по спирали в противоположных направлениях. Sz(y) двух моделей совпадают.

b) на спины воздействует внешнее магнитное поле Bx, при Bx < 0 É+ смещается к -y

c) и d) карты Sz(y,t) демонстрируют эволюцию по времени PSH для Bx = 0 (c) и Bx = -1T (d). Sz(y) осциллирует в обоих случаях, но для Bx = -1T с изменением t значение y0 смещается (см. пунктир)