IBM Research совместно с командой европейского университета синхронизируют спины электронов. В перспективе это может привести к появлению нового класса магнитных полупроводниковых транзисторов для более энергоэффективных устройств.

По сообщению Голубого гиганта, ученые из IBM и ETH Zurich, ведущего европейского университета, впервые наблюдали формирование стабильной спиновой спирали в полупроводнике.

Целью проекта является использование спина электрона для хранения, передачи и обработки информации. До открытия было непонятно, обладает ли спин способностью достаточно долго сохранять свое состояние, чтобы хранить закодированную информацию.

В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, ученые из IBM Research и лаборатории физики твердого тела ETH Zurich продемонстрировали, что электронная синхронизация увеличивает продолжительность жизни спина электрона в тридцать раз, до 1,1 нс. По времени это совпадает со длительностью такта в процессоре с частотой 1 ГГц.

IBM поясняет: современные компьютерные технологии используют электрический заряд электронов для кодирования и обработки данных. Этот метод имеет ограничения: при уменьшении размеров полупроводников можно потерять контроль над потоком электронов. Использование спина электрона вместо заряда могло бы указать выход из тупика.

Новые знания в спинтронике не только дают ученым беспрецедентный контроль над магнитными перемещениями внутри устройств, но и расширяют возможности по созданию энергосберегающей электроники.

Ученые наблюдали ранее неизвестные физические эффекты — перемещение спинов электронов в полупроводнике на десятки нанометров с синхронным вращением по пути движения подобно тому, как вращаются пары в знаменитом венском вальсе.

“Если женщины во всех парах начинают танец, смотря на север, то спустя короткое время вращающиеся пары ориентированы в разных направлениях, — говорит Жан Салис из исследовательской группы Physics of Nanoscale в IBM Research-Zurich. — Теперь мы можем зафиксировать скорость вращения танцоров. Результатом является совершенная хореография, когда все женщины в некотором пространстве смотрят в одном направлении. Способность наблюдать спины и манипулировать ими является важным шагом в развитии спиновых электрически программируемых транзисторов”.

Ученые из IBM использовали в своих экспериментах сверхкороткие лазерные импульсы для отслеживания эволюции тысяч спинов электронов на очень маленьком пространстве. Обычно спины вращаются произвольным образом и быстро теряют ориентацию. Впервые ученые могли наблюдать образование спинами регулярного полосатого узора, который называют устойчивой спиновой спиралью.

Концепция блокировки вращения спинов была теоретически предсказана в 2003-м. В некоторых экспериментах обнаруживались признаки такой блокировки, но прямое наблюдение стало возможно только теперь.

Ученые из IBM зафиксировали синхронный “вальс” спинов электронов с помощью сканирующего микроскопа с временным разрешением. Благодаря синхронизации вращения спинов электронов удалось наблюдать перемещение спинов более чем на 10 микрометров (одну сотую долю миллиметра). Шансы использовать спины для быстрой и энергоэффективной обработки логических операций увеличиваются.

Причиной синхронного движения спинов является спин-орбитальное взаимодействие, физический механизм, связывающий спин с движением электрона. Полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs) III--V групп периодической системы элементов был получен учеными из ETH Zurich, всемирно известными экспертами по выращиванию сверхчистых атомарноточных полупроводниковых структур. GaAs широко используется в производстве интегральных схем, инфракрасных светодиодов, высокоэффективных солнечных панелей и других устройств.

Коммерциализация спинтроники по-прежнему остается трудной задачей, считают в IBM. Исследования в этой области проходят при очень низких температурах для минимизации взаимодействия спинов электронов с окружающей средой. В данном исследовании ученые из IBM работали при температуре 40 градусов Кельвина (­233° С).

Работа была выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда Швейцарии и посредничестве Национальных центров компетенций в области исследований. Научный доклад “Картина формирования устойчивой спиновой спирали” (“Direct mapping of the formation of a persistent spin helix”) был опубликован в журнале Nature Physics 12 августа 2012 г.