Физикам удалось сделать еще один шаг на пути создания нового поколения электронных устройств, названного спинтроникой. Планируется, что в подобных устройствах информация будет кодироваться не только электрическими сигналами, но и спином электронов, составляющих их.

Спины электронов довольно легко контролируются в ферромагнитных материалах, чего нельзя сказать о традиционных и «удобных» с производственной точки зрения полупроводниках; на текущем этапе развития технологии задача исследователей состоит в том, чтобы найти надежный и простой способ введения в полупроводники поляризованных по спину носителей заряда, источниками которых служат ферромагнетики.

Существуют различные решения этой задачи, но все они предполагают использование не самых дешевых полупроводников (к примеру, арсенида галлия) n-типа при температуре ниже 150 К. Представленный авторами метод, напротив, позволяет работать с кремнием обоих типов проводимости при температурах до 300 К.

Для проведения экспериментов ученые выбрали ферромагнитный сплав никеля и железа, который применяется при создании считывающих головок жестких дисков. В контакте с магнитным слоем находилась изолирующая пленка оксида алюминия толщиной около нанометра, с другой стороны которой располагался слой кремния. При подаче напряжения носители заряда, туннелируя, перемещались из ферромагнетика в полупроводник, причем частицы с определенным направлением спина совершали переход чаще, чем остальные, за счет чего и создавался эффект поляризации по спину. По данным авторов, время жизни спина при 300 К составило около 140 пс для электронов в кремнии n-типа и 270 пс для дырок в материале р-типа. Длина диффузии спина (расстояние, на котором сохраняется поляризация) электронов оказалась равна 230 нм; в случае дырок этот показатель увеличился до 310 нм.

Схема эксперимента. Основной контакт, в котором наблюдается явление поляризации по спину, расположен слева. ФМ — ферромагнетик, L_SD — длина диффузии спина. (Иллюстрация из журнала Nature)

Успешность опыта, по мнению ученых, объясняется применением сверхтонкого слоя оксида алюминия: в предыдущих экспериментах использовались слои большей толщины, которые сдерживали перемещение носителей заряда.

Ученые полагают, что их схема может подойти для создания электронных квантовых компьютеров. Предполагается, что аналогичное новому устройство поможет получать пучки электронов, спины которых будут запутаны, то есть окажутся в квантовой взаимосвязи. Считается, что квантовые компьютеры смогут выполнять некоторые вычисления гораздо быстрее, чем традиционные аппараты.