Ученые могут управлять спином электрона на поверхности топологических диэлектриков

Топологические диэлектрики, которые изучаются на протяжении нескольких последних лет, обладают рядом интересных свойств. Как обнаружили ученые Массачусетского технологического института, они позволяют собирать данные о спинах электронов, перемещающихся по поверхности материала, и управлять движением электронов с помощью поляризованного света. Материалы этого типа открывают возможность создания новых устройств спинтроники — это новое направление в микроэлектронике базируется на использовании такой квантово-механической характеристики электронов, как спин.

Топологические диэлектрики — материалы с парадоксальными свойствами. Их внутренняя часть ведет себя как обычный диэлектрик (кварц или стекло) и блокирует ток, а поверхность является хорошим проводником. Понимание свойств материала основывается на анализе поведения электронов в нем (их энергии, моментов, спина). Именно набор этих параметров очень трудно измерить. Обычно для этой цели материал облучается лучом света, который возбуждает электроны. Дело в том, указывает руководитель исследовательской группы адъюнкт-профессор Ну Гедик (Nuh Gedik), что данные показатели снимаются для одной определенной точки. Чтобы получить полную картину, необходимо провести серию измерений, понемногу вращая образец, и этот процесс довольно длительный.

Ученые предложили метод, который дает одновременно показатели энергии, момента и спина электрона, для чего использовали короткий импульс поляризованного по кругу лазерного луча, время блуждания которого можно точно измерить. Этот метод позволил проследить связь между спином и движением электронов в разных направлениях. Оказалось, что при движении электронов с большой скоростью их спин не перпендикулярен направлению движения, а имеет некоторый наклон, который искажает ожидаемую ориентацию. Еще одно необычное свойство при движении электронов по поверхности (в отличие от обычных металлических проводников) состоит в том, что включения слабо влияют на проводимость. Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.

Во второй статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, группа исследователей под руководством проф. Ну Гедика описала метод управления потоком электронов по поверхности топологического диэлектрика. Для этого применяется луч поляризованного по кругу лазера, а принцип действия основан на том, что спины электронов почти перпендикулярны направлению потока. Направленный поляризованный луч позволяет убрать часть электронов, которые движутся в одном направлении.

На диаграмме показано, как использовать лазер для управления электротоком в новом материале. Электроны (синие сферы) перемещаются как по автостраде, в двух направлениях, оси спинов располагаются под разными углами по отношению к направлению движения. Поляризованный по кругу лазерный луч (слева) воздействует только на электроны, движущиеся в одном направлении, и убирают их из потока