Явление электронного спинового резонанса было открыто около 70 лет назад и нашло применение в самых различных областях, от медицины до квантовой информатики. Оно заключается в перевороте спина электрона при совпадении частоты действующего на этот электрон переменного магнитного поля с частотой прецессии спина в постоянном магнитном поле. Позднее было показано [1], что тот же эффект достигается за счет высокочастотного электрического поля

Это оказывается возможным благодаря спин-орбитальному взаимодействию: быстрые осцилляции электрона приводят к возникновению зависящего от направления его импульса переменного магнитного поля, действующего на электронный спин. В любом случае, для переворота спинов требуются именно переменные поля, будь то магнитные или электрические, что не очень удобно с точки зрения приложений в наноэлектронике.

В работе [2] канадские (University of British Columbia) и немецкие (Universität Regensburg) физики предложили оригинальный способ реализации электронного спинового резонанса, не требующий каких бы то ни было периодических внешних полей. Функцию периодического возмущения при этом выполняют стенки полупроводникового канала в двумерном электронном газе GaAs/AlGaAs, от которых отражаются влетевшие в этот канал спин-поляризованные электроны (см. рис.). Изменение направления скорости электрона после каждого такого отражения влечет за собой изменение направления действующего на электрон “спин-орбитального” магнитного поля. Выходит так, что электроны оказываются в эффективном переменном магнитном поле, частота f ≈ v_F/2w которого определяется их скоростью Ферми v_F и шириной канала w ≈ 1 мкм (в [2] величина f составила несколько десятков ГГц).

При совпадении f с частотой прецессии электронных спинов в постоянном магнитном поле возникает спиновый резонанс, который авторы [2] назвали баллистическим, поскольку длина свободного пробега электронов в несколько раз больше пути, проходимого ими от входа в канал до выхода из него. В результате спины электронов “переворачиваются”, что регистрирует детектор на выходе. Так как электроны влетают в канал под различными углами (см. рис.), то имеет место определенный разброс частот f. С этим, однако, можно бороться, используя специальные методики фокусировки электронных пучков. Баллистический спиновый резонанс может найти практическое применение в твердотельной наноэлектронике, а именно – в спинтронике.

Электроны инжектируются в полупроводниковый канал из квантового точечного контакта, который “отфильтровывает” электроны со спинами, ориентированными вдоль постоянного магнитного поля B_ext. Направление “спин-орбитального” магнитного поля B_SO зависит от направления скорости электрона и поэтому периодически изменяется со временем. На выходе из канала ориентация электронных спинов регистрируется детектором.

• 1. K.C.Nowack et al., Science 318, 1430 (2007)
• 2. S.M.Frolov et al., Nature 458, 868 (2009)