Принято считать, что кремний как материал электроники во всем уступает соединениям А₃В₅, кроме цены. В новой отрасли электроники – спинтронике – положение может измениться. Предельным воплощением спинтронного устройства являются квантовые точки с одиночными электронами в них. Такую структуру может иметь, например, квантовый компьютер. Специалисты NIT Basic Research Laboratories (Япония) считают, что именно в таком роде устройств кремний может захватить лидерство [1].

В приборах, основанных на перемещении заряда, главную роль играет величина подвижности. В ней кремний на порядок уступает материалам А₃В₅. В спинтронных устройствах главную роль играет время релаксации спиновых состояний. В этом кремний может превзойти своих извечных конкурентов. На это у него есть все основания.

В материалах А₃В₅ велико спин-орбитальное взаимодействие. В результате, в квантовых точках на основе этих материалов происходит быстрая релаксация спиновых состояний. Строго говоря, это даже не вполне релаксация. Просто из-за спин-орбитального взаимодействия состояния с определенной ориентацией спина вообще не являются собственными. В кремнии спин-орбитальное взаимодействие гораздо слабее. Кроме того, в кремнии нет пьезоэлектрических фононов, ответственных за настоящую релаксацию спина в материалах А₃В₅. Большим преимуществом кремния является и то, что кристалл кремния, в основном, составлен из безспиновых изотопов ²⁸Si. Удается произвести серьезную очистку его от спинового изотопа ²⁹Si, наличие которого также приводит к релаксации электронного спина. Кстати, в деле получения моноизотопного кремния Россия имеет несомненные достижения.

В обзорной статье Дудина и Вирэ [1] рассматриваются различные экспериментальные возможности формирования баллистических магнитных наноконтактов вплоть до одного атома в контакте. Обычно стартуют с изготовления сужения, а дальше его утончают. Для этого можно механически растягивать контакт, изгибая подложку, либо проводить травление, либо использовать электромиграцию при пропускании тока. В процессе постоянно измеряют сопротивление контакта, по величине которого и определяют степень утончения.

Рис. 1. Схематическое изображение разреза структуры (а), вид электродов сверху до накрытия общим затвором (b), величина тока через двойную квантовую точку в зависимости от напряжения на нижних затворах LG1 и LG2

В работе [1] исследовалось резонансное туннелирование электронов через две квантовые точки. Такое туннелирование происходит, если совпадают энергии электронных уровней в обеих точках. Энергия включает и обменную энергию, которая зависит от спиновой конфигурации. Это позволило наблюдать эффект спиновой блокады.

Исходной для формирования структуры была подложка «кремний на изоляторе» (SOI) с тонким (<10нм) слоем кремния. Из нее формировался брусок (кремниевая нанопроволока) в качестве канала транзистора. Внешний затвор UG (рис. 1а) наполнял канал электронами, нижние затворы LG1, LG2 и LG3 создавали потенциальные барьеры для образования двух соседних квантовых точек. В каждой точке могло быть 0, 1 или 2 электрона, что отмечено в круглых скобках на рис. 1с. Регулярная технология создания столь малых квантовых точек на кремнии является достижением авторов работы. Эффективная масса электронов в кремнии имеет компоненту, близкую к массе электрона в вакууме, поэтому квантовые точки из кремния должны иметь размер гораздо меньше, чем квантовые точки на основе материалов А₃В₅.

Автор – В. Вьюрков

• 1. H.W.Liu et al., Phys. Rev. B 77, 073310 (2008)