Японским учёным удалось инжектировать спиновый ток в магнитный материал с помощью акустической спиновой накачки. Результаты работы имеют большое значение для спинтроники.

Спинтроника — многообещающее направление в микроэлектронике. В то время как обычная электроника использует заряд электрона, спинтроника, как следует из названия, базируется на другом его свойстве — спине.

В качестве основных преимуществ спинтроники обычно называют меньшее энергопотребление, возможность увеличения плотности логических элементов и более высокую скорость обработки данных.

Рис. 1. Схема наблюдения спинового эффекта Зеебека: а) стандартная схема, б) схема, предложенная авторами работы для демонстрации роли фононов. (Иллюстрация авторов исследования).

Одним из способов генерации спинового тока является так называемый спиновый эффект Зеебека. К подложке из ферромагнетика (ФМ) прикрепляют парамагнитную пластинку (ПМ) и создают в подложке градиент температур. Это индуцирует в ферромагнетике спиновый потенциал (аналог обычного электрического потенциала), и в парамагнетик инжектируется спиновый ток.

Было обнаружено, что спиновый потенциал в ферромагнитной подложке возникает на довольно больших расстояниях — около миллиметра, что не соответствовало существующим представлениям, согласно которым он должен исчезать уже на масштабах порядка спиновой длины диффузии, равной в металлах всего нескольким сотням нанометров.

Кеничи Учида (Kenichi Uchida), аспирант Университета Тохоку (Япония), и профессор Еиджи Сайто (Eiji Saitoh) обнаружили, что столь неожиданно большая длина действия потенциала возникает из-за акустических колебаний — фононов. Для того чтобы убедиться в этом, ученые модифицировали схему эксперимента следующим образом: они поместили двойной слой ФМ/ПМ (Ni81Fe19/Pt) на непроводящую сапфировую подложку, в которой создавали градиент температур. Поскольку в подложке нет свободных носителей ни заряда, ни спина, то, если в слое возникает спиновый ток, это может быть только из-за фононов: лишь они способны распространяться в подложке. Оказалось, что спиновый ток действительно генерируется — а значит, его причиной являются акустические колебания.

Более того, учёным удалось возбудить спиновый ток в образце, используя непосредственно акустические волны. Это открывает возможность для создания «акустической» спинтроники, где для генерации спинового тока будут использоваться фононы.

Рис. 2. Наблюдение генерации спинового тока акустическими волнами (иллюстрация авторов работы).