Исследование квантовых свойств электронов и спинтроника, наука, изучающая взаимодействие собственных магнитных моментов электронов (спинов) с электромагнитными полями, могут выйти на качественно новый уровень благодаря эксперименту группы физиков под руководством Дитера Вайсса.
В спиновых устройствах поворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания
Несколько лет назад специалисты выдели три основных направления развития спиновой электроники: квантовый компьютер (о котором в интервью газете ВЗГЛЯД уже рассказывал профессор Университета Калгари Александр Львовский), спиновый полевой транзистор и спиновая память.
На прошлой неделе в журнале Science была опубликована статья, посвященная разработке первых рабочих прототипов спинового транзистора. Доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник теоретического отдела Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН Анатолий Звездин объяснил газете ВЗГЛЯД суть и цель совершенного открытия.
ВЗГЛЯД: Анатолий Константинович, исследовательской группе во главе с Ианом Аппельбаумом из Делавэрского университета еще в 2007 году удалось создать спиновый транзистор на основе кремния. В чем новизна работы Дитера Вайсса? Как вы оцениваете этот эксперимент?
Анатолий Звездин: Вообще это очень интересная работа. И то, что она опубликована в Science, говорит о высоком уровне исследования, потому что Science и Nature – самые привлекательные журналы для ученых. История же начинается еще в 80–90-х годах. Тогда американский ученый Марк Джонсон из Массачусетского технологического института придумал, как использовать магнитные свойства электрона на практике. Его биполярный спин-транзистор состоял из тонкой золотой пленки, соединявшей две проводящие пластинки, обладающие магнитными свойствами.
Анатолий Звездин (фото: ufn.ru) |
Вайсс и его коллеги сделали транзистор из сверхпроводящей магнитной катушки, пластинки из кадмия, марганца и теллура (CdMnTe) и специальной решетки из ферромагнетика, управлявшей конфигурацией магнитного поля. Они изучили, как влияют на поведение прибора разные конфигурации магнитного поля. Главное же достоинство работы немецких физиков я вижу в том, что в их эксперименте спин электрона может распространяться на расстояние 50 мкм. Это очень много, таких показателей ученые еще не добивались. Они использовали другие материалы, но, к сожалению, проблема температуры остается по-прежнему. Все эксперименты проводятся при температуре жидкого гелия.
ВЗГЛЯД: Спиновая электроника настолько перспективна?
А. З.: Спиновая электроника – молодая, но действительно очень перспективная область квантовой электроники. Кремниевая микроэлектроника уже исчерпала себя, поэтому сейчас важно найти другие физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низкими энергопотреблением и тепловыделением.
Спинтроника – это новый шаг, потому что она как раз использует не только электроны, но и спины (спин – собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого – ВЗГЛЯД). В спиновых устройствах поворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если поменять направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится, т. е. тепла почти не выделяется. Это тоже революция в микроэлектронике.
Потому что у обычного МОП-транзистора (металл-оксид-полупроводник) есть известные проблемы: они очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям. Спиновая электроника может выйти за горизонты кремниевой электроники и позволит избежать стагнации в науке.
ВЗГЛЯД: Вы говорите про спин-транзисторы и МОП-транзисторы. Что такое МОП-транзистор, и какое принципиальное отличие существует между этими приборами?
А. З.: Вообще транзистор – это прибор из полупроводниковых материалов, который используется для генерирования, усиления и преобразования электрических сигналов. В аналоговой технике используются биполярные транзисторы, о которых я уже упоминал ранее, а вся наша цифровая техника построена на более экономичных полевых МОП-транзисторах, или, как их еще называют, МДП-транзисторах (металл-диэлектрик-полупроводник).
Спин-транзистор напоминает работу полевого кремниевого транзистора, но традиционные электронные устройства управляются преимущественно приложенным напряжением, а для манипуляции спиновыми свойствами необходимо использовать внешнее магнитное поле. В чем разница? В новых транзисторах все зависит от спина, магнитное поле может перевернуть этот спин. Это как открыть-закрыть воду – кран повернул, и направление воды изменилось.
ВЗГЛЯД: Есть ли у спин-транзисторов перспективы практического применения? Что изменится, если мы сможем их использовать?
А. З.: О перспективах пока говорить очень сложно. Пока ведутся исследования и эксперименты. Наши молодые ученые из Московского физико-технического института вместе с коллегами из Массачусетского технологического университета активно работают над спинтронными приборами при комнатной температуре. Но остается вопрос с поиском материалов. А это может занять не один десяток лет.
В конце концов, спинтроника уже много дает современным технологиям. Пока в промышленном производстве используется спиновая память, самая разработанная область спинтроники. Главное отличие таких модулей памяти в том, что записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. Современную компьютерную, теле-, видео-, аудиотехнику нельзя представить без спинтронных приборов. Так что дело теперь за разработкой транзистора и компьютера, которые работали бы на совершенно иных принципах.