Ученым НИФТИ ННГУ удалось вырастить полупроводниковые наноструктуры с эффектом спиновой памяти – плотной и энергонезависимой магнитной памяти, базирующейся на квантовых технологиях. Физики и технологи создали структуру из сверхтонкого слоя магнитных атомов марганца, который находится в нескольких нанометрах от полупроводниковой квантовой ямы с арсенидом галлия, а еще продемонстрировали запись и считывание информации с помощью импульсов поляризованного света.

Сегодня такие гибридные платформы, сочетающие свойства полупроводникового диода и магнитного элемента памяти, разрабатываются многими научными коллективами России и мира, прежде всего – США и Японии. Структура, созданная в НИФТИ ННГУ обладает характеристиками на уровне лучших образцов. Нижегородским ученым удалось добиться стабильного эффекта спиновой памяти в наноструктуре с атомарно тонкими слоями магнитных атомов.

Результат зафиксировала команда ученых под руководством доктора физико-математических наук Михаила Дорохина. Работа опубликована в ведущем международном журнале Physical Review B.

Спиновая память – одно из главных направлений спиновой электроники. Это квантовые технологии, которые основаны на управлении магнитными моментами электронов. Каждый электрон несет не только заряд, но и спин (от англ. spin — «вращение»), собственный магнитный момент, который создает вокруг себя магнитное поле. Им можно управлять, когда электрон «заперт» в квантовой яме – сверхтонком слое полупроводника, ограничивающем движение частицы.

Спин электрона можно поворачивать и ориентировать в разных направлениях, как стрелку компаса. С помощью этих переключений в спиновой памяти происходит кодирование информации. Используя таким образом магнитные моменты электронов и атомов, «записывая» их и «считывая», можно построить более быструю и энергоэффективную компонентную базу электроники, заменить традиционные полупроводниковые диоды, светодиоды и транзисторы на их спиновые аналоги. Для этого нужен материал, который обладает свойствами и полупроводника, и постоянного магнита.

Получение гибридных структур, содержащих полупроводниковые и магнитные слои – одно из главных направлений в работе международной команды ученых из Научно-исследовательского физико-технического института, физического факультета Университета Лобачевского (г. Нижний Новгород, Россия), Университета Кампинаса и Университета Уберландии (Бразилия). Научные центры работают над проектами в области спиновой электроники уже более 15 лет.

Бразильские коллеги помогают нижегородцам манипулировать магнитными свойствами образцов, воздействуя на них сверхбыстрыми фемтосекундными лазерными импульсами. Применение этой техники позволило обнаружить эффект спиновой памяти и в последнем исследовании. Оптический импульс создает поляризацию, то есть разность в числе магнитных моментов различной ориентации, в квантовой яме со слоем арсенида галлия (GaAs) в центре.

Электроны поляризуются и намагничивают соседний нанослой атомов марганца (Mn), который, в свою очередь, запоминает и сохраняет эту поляризацию. Эта технологическая база может стать одним из компонентов российской наноэлектроники и спинтроники. В планах у команды ученых – углубленное описание физики микроскопических процессов и более точный расчет параметров.