Спинтроника

Развитие науки в целом и химии в частности представляет собой постоянное преодоление ограниченных возможностей человеческого бытия. Хотя электрон был открыт всего лишь 110 лет назад, сегодня уже никого не удивляет возможность манипулирования этим носителем отрицательного заряда электричества.

Не так давно в Оксфорде вышла книга «Колоссус», в которой рассказывается об истории создания первого электронного компьютера. Именно с его помощью Алан Тьюринг, один из основателей кибернетики, сломал в сверхсекретном лондонском Блетчли-Парке коды немецких шифровальных машинок «Энигма» и «Лоренц».

«Колоссус» после выполнения возложенной на него задачи был разломан, а его детали выброшены на свалку. Вслед за ним взошла звезда знаменитого ЭНИАКа – громоздкого «калькулятора», в котором в качестве переключателей использовались электронно-лучевые трубки, впоследствии активно применявшиеся в телевизорах.

В 1948 г. появился первый электронный транзистор на основе полупроводников, в которых перенос тока определяется электронными вакансиями, или «дырками». Началась эра электронных машин, на смену которым в начале 1980-х гг. пришли всем теперь известные персональные компьютеры.

Современные информационные технологии сегодня невозможно представить без кремниевых чипов, представляющих собой пластинку из кремния с нанесенными на ее поверхность логическими цепями. Однако для хранения и извлечения данных используются ферромагнитные материалы, например намагничиваемое железо.

Именно ферромагнетики используются в жестких дисках. Лазерные устройства для записи и считывания дисков, а также схемы для поддержания высокой тактовой частоты в мобильных телефонах делают из гораздо более технологичного, чем кремний, арсенида галлия, т.е. соединения галлия с мышьяком. Его длинные «полимерные» молекулы, образующие правильную кристаллическую решетку, похожи на зубья пилы, или синусоиду, в верхних точках которой располагаются атомы мышьяка, а в нижних – галлия.

Десять лет назад было сделано удивительное открытие. Суть его заключалась в том, что марганец, который в качестве добавок вносят в арсенид галлия, при концентрации чуть выше 0,015% способен приобретать ферромагнитные свойства! Открытие сулило необычайные возможности в развитии спинтроники, соединяющей в себе преимущества полупроводников и ферромагнетиков.

Спинтроника является логическим продолжением электроники. Но она базируется на использовании эффектов, связанных не с зарядом электрона, а с его спином (от англ. spin – «волчок», «юла»). Известно, что электрон, движущийся вокруг ядра атома по орбите, вращается еще и вокруг своей оси. Это вращение и получило название спина.

Квантовая механика подразделяет электронную оболочку на уровни: первый – «сферический» s, следующий за ним – р, идущий далее – d и т.д. Каждый уровень в свою очередь разбивается на ячейки. Принцип Паули гласит, что в одной ячейке могут образовать пару только электроны с противоположными (разнонаправленными) спинами (изображаемыми стрелками вверх и вниз). В образовании валентной пары также участвуют электроны с разнонаправленными спинами.

Эта классическая теория до последнего времени не находила своего практического воплощения. В распоряжении ученых не было достаточно тонкого инструмента, который позволял бы манипулировать отдельными атомами. Трудно представить себе, что обычной отверткой можно орудовать в тонком механизме наручных часов…

Теперь необходимый «микроманипулятор» имеется. Речь идет о сканирующем туннельном микроскопе (СТМ). Известно, что при достаточном сближении между тончайшим острием «иголки» (зонда) этого прибора размером в один атом и образцом возникает туннельный ток. При удалении иголки ток уменьшается. Компьютер позволяет таким образом «увидеть» атомный «ландшафт» поверхности подложки.

Но один «трек» сам по себе ничего не дает. Для сканирования определенной поверхности необходимо от 70 до 100 треков иглы с определенным шагом. Так постепенно возникает трехмерная картинка атомов или молекул на поверхности подложки. Подобная методика очень сходна с работой подводных сканеров при поисках затонувших сокровищ…

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа:
p_x, p_y, p_z – пьезоэлементы; _z – туннельный вакуумный промежуток
между иглой-зондом и образцом; I_t – туннельный ток

Все это очень интересно, поскольку ученые впервые получили возможность воочию увидеть атомы и молекулы. При этом выяснилось, что сферическая электронная оболочка атома трансформируется и превращается в конус с острием, направленным кверху (т.е. атом становится очень похожим на яйцо).

В начале 1990-х гг. воодушевленные возможностями СТМ ученые так научились управлять токами на кончике иглы, что отдельные атомы стали «прилипать» к ней, что позволило переносить их с места на место. Это удивительное свойство СТМ использовали сотрудники Принстонского университета, которые в условиях глубокого вакуума при температуре 4 К стали заменять отдельные атомы галлия на марганец. «Удар» током осуществлялся электронами с энергией 0,7 эВ и выше.

Таким образом, в одной точке поверхности арсенида галлия соединились квантовая теория, ее СТМ-воплощение и нужды современных информационных технологий, использующих пока что раздельные полупроводниковые схемы и магнитные устройства. Электронное облако марганцевого «акцептора» обретало анизотропную, т.е. неравномерную форму в виде четырехконечной звезды с площадью чуть больше 20 квадратных ангстрем. Пик проводимости превышал 150 мэВ.

При сближении атомов марганца возникала взаимодействующая пара атомов. Визуализация карты электропроводности с помощью туннельного спектра показала наличие двух резонансных пиков спиновых состояний электронов 3d-орбиталей. При изменении расположения атомов марганца относительно кристаллической решетки арсенида галлия или «разведении» их на расстояние более 8 пики «размывались», что было хорошо видно на дисплее компьютера.

Пока это сугубо экспериментальное достижение, вряд ли имеющее практическое применение. Трудно представить себе даже концепты будущих квантовых компьютеров, требующих для своей работы почти полного вакуума и температур около абсолютного нуля. И тем не менее ученые впервые воочию убедились, что сама спинтроника реальна. Остается только найти условия осуществления процесса при комнатной температуре.

Задача в принципе простая: надо научиться произвольно управлять спином одиночного электрона. Лучше всего это делать с помощью таких полупроводниковых структур, как квантовые точки, в которых производится тюнинг-настройка «уловленного» электрона.

Ротация одиночного электронного спина позволяет зарегистрировать спин-резонанс и измерить эффект по изменению протекающего электрического тока. Это теоретическое предположение реализовали практически сотрудники Дельфтского технологического университета (Нидерланды).

Им удалось получить управляемые когерентные (одночастотные) колебания одиночного электронного спина в квантовой точке, что открывает перспективу построения квантового компьютера, основанного на электронном спине. Управление спином осуществляли с помощью коротких, микросекундных «вспышек»-импульсов магнитного поля. При этом ученые наблюдали до восьми осцилляций электронного спина.

Таким образом, управление колебаниями одиночных электронных спинов приводит к реальному осуществлению давней мечты ученых – получению квантовых битов информации или кубитов в квантовых точках. А это еще больше приближает нас к осуществлению не менее амбициозной мечты о построении первого работающего квантового компьютера…

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2006, № 7103, р. 436,
№ 7104, р. 749, 766.)