Конвейер для квантов: физики научились сортировать электроны без магнитов

Международная группа исследователей под руководством Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD) совершила любопытное открытие в области квантовой электроники. Ученые разработали оригинальный метод управления особым свойством электронов – их спином, который можно представить как вращение частицы вокруг собственной оси. До сих пор для этого требовались мощные магниты, теперь же достаточно обычного электрического поля.

На том же свойстве электронов основана спинтроника – перспективное направление в создании вычислительных машин будущего. В отличие от традиционной электроники, где информация кодируется зарядом электрона (есть заряд – единица, нет – ноль), спинтронные устройства используют направление вращения частицы. Такой подход позволяет существенно увеличить скорость расчетов и снизить энергопотребление.

Долгое время главным препятствием в развитии спинтроники оставалась необходимость применять магнитные поля для контроля над спином. В миниатюрных моделях был один серьезный недочет: магниты, расположенные слишком близко друг к другу, начинали мешать работе соседних компонентов. Новый же подход, описанный в журнале Materials Horizons , полностью решает проблему.

В основе разработки лежит удивительное явление – альтермагнетизм. В материалах этого типа электроны самопроизвольно выстраиваются таким образом, что их спины указывают в противоположных направлениях. Это приводит к взаимной компенсации магнитных свойств – состояние, принципиально отличное как от ферромагнетиков (где все спины сонаправлены, как в обычном магните), так и от антиферромагнетиков.

Была создана структура из двух ультратонких слоев сульфида хрома (CrS). В ней электроны естественным образом распределяются по слоям в зависимости от направления спина – эффект получил название спин-слоевой блокировки (layer-spin locking). Простое изменение напряжения позволяет "переключать" движение частиц между слоями, тем самым управляя их спинами. При комнатной температуре ученым удалось достичь степени контроля до 87%.

Можно провести аналогию с системой двух конвейеров, движущихся в противоположных направлениях, – поясняет руководитель исследования, доцент SUTD Йи Син Анг. – Изменяя напряжение, мы направляем поток электронов по верхней или нижней ленте. Это позволяет контролировать направление их спина без использования магнитов.

То есть в классических магнитных материалах спин-поляризованные токи зависят от внешних магнитных полей. В новой структуре каждый слой самостоятельно проводит электроны с противоположной спиновой поляризацией. Электрическое поле избирательно повышает энергетические уровни одного слоя относительно другого.

Открытие закладывает фундамент для создания принципиально новых устройств памяти и обработки данных. В отличие от современных транзисторов, где на переключение между состояниями тратится значительная энергия, спинтронные компоненты могут работать при минимальном энергопотреблении. При этом они способны хранить информацию даже при отключении питания.

Мы стремимся создать компоненты, которые превзойдут возможности кремниевой электроники, – рассказывает ведущий автор исследования, доктор Руи Пэн. – Наша работа показывает один из возможных путей к этой цели.

Сейчас ученые работают над первыми прототипами и ищут способы интегрировать двухслойную структуру в реальные электронные схемы.