Спиновую проводимость наблюдали при комнатной температуре

Команда физиков из Японии и Великобритании впервые продемонстрировала спиновую проводимость в германии при комнатной температуре. При помощи «спинового насоса» ученые генерировали ток спинов через тонкий слой германия, а для его детектирования на выходе использовался обратный спиновый эффект Холла. Авторам также удалось получить оценки характерного времени релаксации и длины диффузии спинов в германии при разных температурах. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Спинтроника — по аналогии с электроникой — это область науки, в рамках которой стремятся создать устройства, в которых носителем сигнала был бы не электрон, как это происходит сейчас, а спины. Мотивация такого подхода крайне прозрачна: чтобы закодировать «0» или «1» в электронике, нужно целое устройство, например, транзистор. Несмотря на существенные успехи в их миниатюризации, даже самые маленькие транзисторы до сих пор обладают существенными по атомным меркам масштабами — около 10 нанометров.

В случае со спином теоретически все оказывается проще: спин «вверх» — «1», спин «вниз» — «0». То есть не нужно никаких дополнительных узлов, спин сам по себе оказывается носителем информации. В теории такой подход очень привлекателен, но на практике его пока не удалось реализовать. Одной из основных причин этого является тот факт, что спин очень легко «переворачивается» просто из-за тепловых флуктуаций в веществе. Это затрудняет создание устройств, которые можно бы было использовать при комнатной температуре.

Для решения этой проблемы авторы использовали германий — элемент четвертой группы периодической системы. В нем релаксация (переворот) спина подавляются из-за квантовой особенности: кристаллы германия симметричны относительно операции инверсии. То есть если все узлы кристалла одновременно «вывернуть наизнанку», квантовое окружение отдельно взятой точки не изменится, и у спина «не будет повода» перевернуться. По этой причине спины в германии по предположению должны сохранять свою ориентацию дольше, чем во многих других материалах.

Для проверки предположения на практике ученые использовали установку, включающую источник тока спинов, тонкий проводник из германия и платиновый или палладиевый детектор спинов. В качестве источника выступал ферромагнитный материал, в котором поток спинов генерировался вследствие ферромагнитного резонанса.

Германий наносили на поверхность кремния Si(001) при помощи химического газофазного осаждения при пониженном давлении, а затем допировали атомами фосфора. Таким образом ученые получали германий с n-проводимостью, то есть носителями тока выступали электроны. Для регистрации тока спинов использовался обратный спиновый эффект Холла. Из-за него в металле возникал ЭДС при локальном изменении намагниченности. Это происходило, когда спин — собственный магнитный момент атома — «прибывал» в детектор.

В итоге авторы наблюдали линейную зависимость ЭДС в детекторе от мощности микроволнового излучения, генерирующего ток спинов в источнике. Это говорит о том, что тонкая полоска германия в самом деле оказалась способна проводить спиновый ток при комнатной температуре.

Ученые также оценили длину диффузии спина в германии — характерное расстояние, которое может пройти спин, не перевернувшись. Она оказалась равна 660 нанометров при комнатной температуре и увеличивалась при охлаждении. Эта длина даже больше, чем обычно используемое расстояние во многих электронных чипах, что говорит о реально существующей возможности создания спинтронных компонентов на основе германия.