Контролируя общее спиновое состояние высокоподвижных электронов в полупроводниках, исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) сделали огромный шаг вперед в спинтронике, да к тому же еще и открыли новый закон сохранения – важнейшее достижение в фундаментальной физике.

Каждой симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения (к примеру, закон сохранения импульса вытекает из условия однородности пространства). Опираясь на эту теорему, физики сформулировали закон сохранения спиновой поляризации электронов, который соответствует инвариантности преобразований относительно направления спина; для электронов в твердом теле, впрочем, необходимая симметрия нарушается за счет спин-орбитального взаимодействия.

В двумерном электронном газе электроны прецессируют с той же самой скоростью и в том же направлении (Иллюстрация: Keith Bruns)

Недавно теоретики высказали предположение о том, что упомянутый закон должен выполняться при рассмотрении двумерного электронного газа. Физики из лаборатории профессора Джозефа Оренштейна (Joseph Orenstein) экспериментально подтвердили догадку своих коллег и одновременно значительно продвинулась в практической реализации идей спинтроники: исследователи продемонстрировали возможность управлять спиновым состоянием группы подвижных электронов в полупроводнике.

По своей сути спин-орбитальное взаимодействие — это взаимодействие свободных электронов, которые перемещаются по кристаллической решетке полупроводника, с электрическими полями встреченных атомов; вследствие этого спины частиц принимают разные направления. Параметры спин-орбитального взаимодействия в экспериментах ученых определялись двумя слагаемыми: математическими и физическими параметрами – Рашмы и Дрессельхауза. Величиной обоих параметров можно манипулировать; как прогнозировали ученые, для реализации закона сохранения необходимо обеспечить равенство указанных членов.

Для проверки своих предположений экспериментаторы создали двумерный электронный газ, заключив электроны в так называемую «квантовую яму» — потенциальную яму, образованную слоем арсенида галлия толщиной в несколько нанометров. Попавшие в такую область заряженные частицы перемещаются строго в одной плоскости.

Величина параметра Рашбы определяется результирующей напряженностью электрического поля, созданного в пространстве квантовой ямы. Управлять же напряженностью можно путем введения в структуру полупроводника примесных атомов. Атомы примеси замедляют движение электронов, поэтому ученые постарались вывести их за пределы квантовой ямы. Таким образом, легированным был полупроводник, служивший подложкой. Изменяя концентрацию примеси в полупроводнике на противоположной стороне ямы, исследователи настраивали конфигурацию поля.

Значение параметра Дрессельхауза, напротив, определяется физическими размерами ямы (толщиной слоя арсенида галлия) и скоростью движения электронов. Ученые создали несколько вариантов квантовых ям, выбрав тот, который обеспечивал наилучшее согласование членов Рашбы и Дрессельхауза.

На заключительной стадии эксперимента исследователям было необходимо каким-то образом задать направление спина всей заключенной в яме группе частиц и посмотреть, как система будет эволюционировать. Для решения этой задачи применялся титан-сапфировый лазер, с помощью которого были сформированы два пучка импульсного излучения, длительностью несколько фемтосекунд. Пучки были направлены на образец под определенным углом друг к другу; интерференция излучения привела к тому, что спины электронов оказались ориентированы вверх или вниз в соответствии с тем, какую именно круговую поляризацию имело воздействовавшее на них излучение.

«Управляя спин-орбитальным взаимодействием, вы можете контролировать направление и скорость вращения электронов, – утверждает ведущий автор работы Джейк Коралек (Jake Koralek). – Мы добились того, что все частицы вращались в одной плоскости, а ориентация их спинов изменялась периодически с частотой, определяемой скоростью частицы». В такой конфигурации сохраняющимися величинами являются амплитуда и фаза образующейся волны спиновой плотности; необходимо также отметить, что полученное учеными состояние фиксировалось длительное время. Ученые предполагают усовершенствовать методику эксперимента, что должно позволить еще больше увеличить время жизни этого состояния.

Cтатья, содержащая результаты экспериментов, опубликована в журнале Nature

Евгений Биргер