Схема работы спин-поляризованных электронов
Спин… чего?
В переводе с английского слово «спин» означает буквально «вращение». Да, вертится вокруг своей оси не только Земля, но и элементарные частицы: нейтрино, кварки, бозоны и, конечно, электроны. Вращаясь, они создают момент импульса, то есть некое усилие. Вот его-то и называют спином.
Изучает это явление специальный раздел квантовой электроники — спинтроника (она же спиновая электроника). Ученые открыли спиновый токоперенос, который также называется спин-поляризованным транспортом. Процесс может происходить в твердотельных устройствах, например в аккумуляторах.
Работа над оптической схемой нового источника спин-поляризованных электронов
И в чем отличие от обычного электрона?
В отличие от обычного, в спинтронике энергию или информацию переносит не электрический ток, а ток спинов. Причем опыты доказали, что спин может переноситься отдельно от электрического заряда. Если такое произошло, значит, вы наблюдали «чистый» спин-ток. Процесс преобразования обычных электронов называется поляризацией.
Ученые уже создали спиновый клапан, спинтронное реле и множество всевозможных спиновых транзисторов. Переворот спина — интересный процесс: он протекает за несколько пикосекунд (в миллиарды раз быстрее, чем вы это прочитали), а кинетическая энергия электрона не изменяется. То есть не выделяется тепло, а значит, спинтронные элементы работают быстрее и меньше нагреваются.
Схематическое изображение вакуумного спинового фотодиода
Так что там изобрели в Сибири?
Мы уже выяснили, что спинтронные устройства гораздо эффективнее классических электронных. Но как их создавать? Для этого нужен постоянный источник спин-поляризованных электронов. То есть нужно взять электрон и обработать его определенным образом. Пока для этого используют электроды из арсенида галлия (популярный полупроводник, сделанный из галлия и мышьяка).
Но сотрудники Института физики полупроводников им А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) нашли более совершенный источник — мультищелочной фотокатод. Он представляет собой тонкий полупроводниковый слой, который при облучении лазером «производит» электроны с одинаковым спином. Ученые уже достигли степени поляризации (эффективности) в 50% и рассчитывают довести этот показатель до 100%.
Внутри коллайдера
Для чего это нужно?
Прежде всего это нужно фундаментальной науке. В Сарове сейчас строится коллайдер, и вот его можно будет сделать более эффективным, ведь спин-поляризованные электроны, производя ту же работу, что обычные, не выделяют тепло. А коллайдер есть не что иное, как установка для проведения экспериментов с ускорением заряженных частиц. Идеальная пара.
Сибирская разработка позволяет добиться большего времени жизни, квантовой эффективности и спиновой поляризации электронов. Поэтому опыты на саровском коллайдере дадут лучшие результаты, что еще на шажок приблизит нас к постижению тайн Вселенной.
STT-MRAM — уникальное запоминающее устройство, которое способно работать даже при отсутствии внешнего питания
А в быту-то польза будет?
Конечно будет! Хоть и не сразу. Когда технологии разовьются достаточно, человечество сможет перейти с электронных девайсов на спинтронные. И мы получим более быстрые и энергоэффективные компьютеры, планшеты, смартфоны. А уже сейчас, но пока только в лабораториях есть некоторые устройства, построенные на этих принципах.
Например, твердотельный аккумулятор без химических реакций, который переводит электрическую энергию в постоянное магнитное поле и обратно, а также компьютерная память вроде STT-MRAM (Spin Torque Transfer MRAM). Это запоминающее устройство хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов, то есть способно работать даже при отсутствии внешнего питания. Будущее рядом!
