Спин-эффект аномальный – Справочник химика 21
Отметим, что, как показано в [124, 125], даже в немагнитных неполяризованных кристаллах, помещенных во внешнее магнитное поле, можно наблюдать. многочастотную прецессию спина нейтрона и зависящий от Н эффект подавления ядерных реакций, а при воздействии на монокристалл переменного внешнего поля (магнитного, звукового) возникают зависящие от частоты поля эффекты аномального подавления ядерных реакций (аналогичный рассмотренному выше) и многочастотной прецессии спина нейтрона. [c.144]Эффект Зеемана для нескольких электронов с учетом спина электрона имеет более сложный характер ( аномальный или сложный эффект Зеемана). Его рассмотрение следует проводить на основе квантовой механики. [c.254]
Происхождение названий аномальный и нормальный эффекты Зеемана относится к периоду, когда представления об электронном спине еще не были введены в квантовую механику.
Неравновесная заселенность ядерных спиновых состояний в продуктах радикальных реакций проявляется в ЯМР-спектрах двояким образом в виде интегрального и мультиплетного эффектов. Интегральный эффект заключается в том, что в продуктах реакции наблюдается преимущественная ориентация ядерных спинов в направлении внешнего поля или против него, вследствие чего в ЯМР-спектре продукта наблюдается или аномально высокое поглощение (А) или вынужденное излучение ( ). [c.200]
Тем не менее аномальный эффект оставался большой загадкой вплоть до введения гипотезы о спине электрона это произошло лишь спустя двадцать пять лет. [c.364]
Интегральный эффект. Интегральный эффект ХПЯ или ХПЭ — это преимущественная ориентация ядерных спинов в продуктах реакции (или спинов неспаренных электронов в радикалах) в направлении внешнего поля или против него.
Мерой интегрального эффекта химической поляризации может служить зеемановская энергия спинов, которая в термодинамическом равновесии отрицательна. Если в ходе химической реакции зеемановская энергия спина становится положительной, это означает, что в дальнейшем спиновая система может отдать накопленную в ней энергию. В этом случае на частоте магнитного резонанса спинов будет наблюдаться вынужденное излучение. Если же в ходе реакции зеемановская энергия спинов уменьшается, т. е. резервуар зеемановского взаимодействия спинов охлаждается, то для нагрева спиновой системы до температуры термостата нужно подвести дополнительно энергию. В этом случае в спектрах магнитного резонанса будут наблюдаться линии, отвечающие аномально большому поглощению.
Контактное сверхтонкое Л/5-взаимодействие в ближайшем окружении парамагнитного иона. Времена корреляции. Справедливость неравенства (1.17) была неоднократно подтверждена [22, 35, 50, 61, 62] при исследовании растворов ряда парамагнитных солей элементов 3 -группы.
Предположение о спине электрона объясняет также аномальный эффект Зеемана и так называемую тонкую структуру многих спектральных линий, как, нанример, О-дублета натрия.
Эти вопросы будут рассмотрены в дальнейшем. Приписывание электрону дополнительной степени свободы увеличивает кратность вырождения атомных уровней мы увидим, что это позволяет устранить расхождение, отмеченное в табл. 13, где указано, что некоторые из наблюдаемых уровней гелия имеют более высокую кратность вырождения, чем это предсказывается теорией.
Теперь на.м понятно происхождение аномального эффекта Зеемана. Когда атом и.меет спин, мы рассматриваем его в тер.мннах квантовых чисел S, I я j (для одного электрона) полный угловой момент получается путе.м комбинанни спинового и орбитального моментов (рис. 14.17). Если магнитные моменты имеют ту же самую связь с угловым моментом независимо от того, являются опи орбитальными пли спиновыми, то результирующий магнитный момент должен совпадать по направлению с результирующим полным угловым моментом. Поскольку, однако.спиновый магнитный момент аномален, результирующий магнитный. момент не сов-
Внеш.
магн. поле влияет на выход продуктов р-ции, скорость элементарных процессов взаимод. парамагнитных частиц (рекомбинации радикалов, аннигиляции триплетно-возбужденных молекул, тушения триплетных молекул радикалами и т.п.), интенсивность флуоресценции и хеми-люминесценции, темновую и фотопроводимость мол. кристаллов и орг. полупроводников. Магн. изотопный эффект сопровождается разделением магн. и немагн. изотопов (напр., С и С, о и О). Хим. поляризация электронов и ядер проявляется в спектрах ЭПР и ЯМР продуктов р-ций (радикалов и молекул), при этом положит, поляризация приводит к аномально сильным линиям поглощения, а отрицательная-к линиям эмиссии. В последнем случае создается инверсная населенность зеемановских уровней электронов или ядер (см. Зеемана эффект. Лазер). Когда химически индуцированная отрицат. поляризация ядер достигает значит, величины, превосходящей порог генерации, происходит самовозбуждение радиочастотного излучения и хим. система становится мол. квантовым генератором-хим.
Другим следствием Г-конверсии в радикальных парах в результате передачи электронного спинового момента ядерным спинам является поляризация последних. Синхронный переворот электронных и ядерных спинов при обмене энергией способствует аномальной заселенности даерных зеемановских уровней. Это проявляется либо в эмиссии радиоизлучения в случае избыточной заселенности верхних уровней (отрицательная поляризация), либо в дополнительном поглощении радиоизлучения (положительная поляризация). Эффекты химической поляризации ядер отчетливо проявляются в ЯМР. Они являются причиной радиочастотной генерации, зарегистрированной недавно в реакциях фотопереноса электрона с порфи-рина на хинон (АЛ.
Методом лазерной масс-спектрометрии исследован изотопный состав легких элементов в речной раковине Мидии . Обнаружено существенное изменение изотопного состава элементов С, О, S, К, С1, Са в наружном и внутреннем слоях раковины. Рассмотрены основные ядерные характеристики исследованных изотопов — спин и магнитный момент ядра, энергия связи нейтрона в ядре, вид ядер. Установлена корреляция между энергией связи нейтронов в ядрах изотопов и аномальным фракционированием изотопов легких элементов в биологическом объекте. Качественно, наблюдаемые в эксперименте, изотопные аномалии объяснены с помощью ядерио-спинового изотопного эффекта. Ил. 4. Табл. 1. Библ, 19 назв.
© Laurent Thion/ILL  При некотором невезении для этой танцовщицы в определенный момент времени ее собственный момент вращения может сложиться с моментом вращения карусели, и на ее тело будет воздействовать нагрузка, которая может привести к травме. Ученые из Венского технологического университета (TU Wien) обнаружили, что подобное явление может возникать и в квантово-механических системах, а обнаружено это было в ходе эксперимента, в котором вращающийся вокруг своей оси нейтрон пересекал вращающееся магнитное поле.Напомним, что под понятием спина элементарной частицы подразумевается угловой момент ее орбитального вращения.
Еще в 1988 году ученые предсказали, как должен себя вести нейтрон, попав внутрь вращающейся среды (магнитного поля в частности). В экспериментах нейтрон, подобно вращающемуся танцору на вращающейся карусели, пересекает область, в которой при помощи специальной катушки создается вращающееся магнитное поле. При этом, спин нейтрона до входа в магнитное поле и после выхода из него остается неизменным. Инерционные эффекты, воздействующие на нейтрон, проявляются только в области магнитного поля и это можно обнаружить только при помощи квантовой механики. В недрах исследовательской установки нейтронный луч расщепляется на два независимых луча. Один из этих лучей проходит через область вращающегося магнитного поля, а второй не подвергается никаким внешним воздействиям. После этого оба луча вновь объединяются в один луч. Самой сложной задачей, с которой довелось столкнуться исследователям, стала конструкция катушки, способной вырабатывать вращающееся магнитное поле. При этом, в самой катушке должно было быть маленькое окошко, через которое нейтронный луч проникал в область создаваемого ею магнитного поля. Подходящая геометрия обмоток этой катушки была получена при помощи компьютерного моделирования, а система была изготовлена и первоначально испытана на источнике нейтронов в Венском технологическом университете. Окончательные же эксперименты и измерения проводились на установке ILL, Гренобль, Франция.
Статья опубликована в журнале npj Quantum Information |
В этом случае должно произойти объединение спина нейтрона и момента вращения магнитного поля, но до последнего времени никому не удавалось продемонстрировать это экспериментально. «Нам же для этого потребовалось несколько лет работы и несколько не очень удачных попыток» — пишут исследователи.
Если рассматривать какой-нибудь отдельный нейтрон, то он, согласно причудам квантовой механики, находится одновременно в двух расщепленных лучах, и в первом луче инерциальные эффекты немного изменяют длину волны волновой составляющей этой квантовой частицы. В результате этого после сложения лучей волны или усиливают, или гасят друг друга, создавая картину наподобие интерференционной.
Но обнаруженный нами эффект реально существует и поиски области применения для него являются теперь только делом времени».Парадоксы света. Челябинские ученые исследуют фотонные эффекты
Последние открытия ученых-оптиков, исследующих поляризацию света, дают немыслимые возможности для познания природы, создания лазерной и медицинской техники завтрашнего дня.
Оптоэффект Магнуса
— Что такое поляризация света? Каков ее физический смысл?
— Свет — это электромагнитная волна, и при распространении кончик электрического вектора волны может либо двигаться по прямой (линейная поляризация), либо описывать окружность.
Свет можно рассматривать и как волны, и как поток фотонов. Для понимания этих процессов рассмотрим очень грубую механическую аналогию и представим, что фотон — это шарик, который вращается вокруг собственной оси. В механике известно, что такой шарик будет двигаться не по прямой, а отклоняться от прямолинейного распространения, причем направление отклонения зависит от того, в каком направлении он вращается. Так и фотоны с разной циркулярной поляризацией отклонятся при движении в разные стороны. Это один из эффектов спин-орбитального взаимодействия света, или взаимовлияния его поляризации и направления распространения, который был назван оптическим эффектом Магнуса.
Поляризация света проявляется и просто при его отражении. Из школьного курса физики всем известно, что угол отражения равен углу падения. Но когда мы начинаем рассматривать отражение света в субволновом масштабе, то оказывается, что угол отражения может не равняться углу падения, а его величина зависит от поляризации и от того, от какой поверхности свет отражается.
— Ваши исследования возникли не на пустом месте? От чего вы оттолкнулись в изучении этих явлений?
— В квантовой физике поляризации и траектории светового пучка соответствуют спиновый и внешний орбитальный угловой моменты фотонов. В начале прошлого века начались отдельные исследования влияния поляризации на направление распространения света и траектории на поляризацию.
Добавлю, что такие исследования велись разными группами ученых независимо друг от друга и никто эти эффекты не рассматривал как взаимообратные. И только в 1991 году после экспериментального обнаружения сотрудниками лаборатории нелинейной оптики под руководством члена-корреспондента РАН Бориса Зельдовича оптического эффекта Магнуса был впервые введен в научную лексику термин «спин-орбитальное взаимодействие фотона (света)».
Лазерный пинцет
— Могут ли эти свойства света найти практическое применение?
— Недавно на основе оптического эффекта Магнуса сделано устройство, позволяющее поворачивать плоскость поляризации.
Таких систем в традиционной оптике много, но настолько миниатюрный захват размером всего в несколько микрон, на мой взгляд, уникален: он был изготовлен на основе эффекта влияния траектории на поляризацию. Такие устройства как раз и могут найти применение в фотонике — области оптики, которая работает на уровне субмикронных масштабов. Циркулярную поляризацию можно использовать для вращения микрочастиц.
— А как это работает? И где оптический захват может стать незаменимым инструментом исследователя — например, в науке для познания микромира, медицине, других сферах нашей жизни?
— Устройства, которые позволяют захватить микрочастицу, называются лазерными пинцетами, а если лазерный пучок еще и циркулярно поляризован, то захваченная частица будет вращаться вокруг собственной оси. Такие лазерные пинцеты можно использовать для медицинской диагностики, для исследования свойств биологических жидкостей.
Бег по кругу
— А может ли и спин-орбитальное взаимодействие послужить созданию техники будущего?
— Конечно же, так и будет! Однако сейчас можно говорить не о самом явлении спин-орбитального взаимодействия света, а о тех наработках, которые сопутствовали исследованию оптических эффектов.
И одна из главных точек приложения этих наработок — медицина. Наша соотечественница Татьяна Новикова, которая руководит оптической лабораторией в высшей школе «Эколь политекник» в Париже, занимается использованием поляризации света для визуализации раковых опухолей. В лаборатории создана мобильная установка, которая работает в госпитале во время операций. Поляризованное излучение от здоровой и пораженной поверхности кожи или слизистой оболочки рассеивается по-разному, и по структуре «картинки» можно судить об очагах поражения.
Французские оптики пока используют традиционные лазеры с поляризованным излучением. Совместно с коллегами из «Эколь политекник» мы думаем о том, можно ли применять излучение с внутренним орбитальным угловым моментом — так называемые пучки-баранки с особым волновым фронтом. У нас уже есть опыт работы со световыми «баранками», и мы с учеными из Франции будем продолжать совместные исследования. Возможно, такие пучки в перспективе будут применять для ранней диагностики онкологических заболеваний.
— Что представляют собой эти «баранки»? И как еще их можно заставить работать?
— Лазерный луч, отражаясь от плоской поверхности, формирует структурированное излучение, как бы состоящее из отдельных зерен света. А между ними есть темные места — «дырки» со спиральным волновым фронтом. Если такой сфокусированной «баранкой» захватить частицу, то она уже будет не вращаться вокруг собственной оси, а бегать по кругу! И это всего-навсего влияние давления света.
— А будет ли у ваших исследований свое продолжение? Как разгадать еще не познанные тайны света?
— Нами предсказаны три новых эффекта спин-орбитального взаимодействия света. Пока мы смогли экспериментально доказать влияние поляризации и траектории света на внутреннюю структуру пучка. То есть два угловых момента влияют на третий, а значит, изменяя их, можно влиять на структуру излучения! Можно предположить, что траектория и внутренняя структура света, в свою очередь, влияют на поляризацию. Но это только гипотеза.
Необходимо смоделировать поведение света, понять, в каких условиях этот эффект может проявляться, и конечно же, исследовать экспериментально.
Результаты наших новых исследований будут озвучены на международных конференциях, которые пройдут в Нидерландах и Франции в октябре этого года.
Физики объяснили влияние закрученного света на спин электронов
Формула Дирака
Международная
группа физиков-теоретиков показала,
что предсказанная недавно возможность
влиять на спины электронов закрученным
светом может быть выведена на основе
одного из фундаментальных уравнений
современной физики — уравнения Дирака.
Соответствующий математический вывод
приведен в статье, опубликованной в
журнале Physical Review B.
Два года назад в ведущем научном физическом журнале Physical Review Letters вышла удивительная статья сотрудников университета Арканзаса (США), в которой предсказывалось наличие взаимодействия между орбитальным моментом света, распространяющегося в среде, и магнитным моментом этой среды. Несмотря на то, что предсказание было основано на анализе относительно простых и давно известных классических уравнений, до 2013 года никто, по всей видимости, на наличие этого взаимодействия внимания не обращал.
Магнитным моментом среды называется величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Возникновение магнитного момента в веществе может быть вызвано или вращением заряженных частиц (обычно электронов) в нем, или собственным магнитным моментом этих частиц — так называемым спином.
Известно
также, что если в веществе распространяется
свет, имеющий ненулевой орбитальный
момент (такая световая волна имеет
необычную закрученную структуру,
подробнее о которой можно почитать,
например, здесь),
то он может передать этот момент среде,
придав вращение ей и составляющим ее
частицам.
На этом явлении основана
работа, например, оптических «гаечных
ключей» (спаннеров), позволяющих при
помощи лазерных импульсов закручивать
микрообъекты.
Но если свет может закрутить среду, то он может закрутить и электроны в этой среде, создав тем самым магнитный момент. Именно это и было показано в опубликованной работе. Однако, в ней делалось и более сильно утверждение: с помощью закрученного света можно управлять и собственными магнитными моментами электронов, спинами, которые не связаны ни с какими механическими вращениями.
Это
утверждение, однако, было сделано на
основе исключительно соображений
симметрии и неких общих формул
электродинамики. Физическая же природа
этого взаимодействия была ясна не до
конца. Чтобы решить эту проблему, два
автора статьи в Physical Review Letters совместно
с группой теоретиков из университета
Уппсалы (Швеция) и университета Париж-Сакле
(Франция) рассмотрели вывод предсказанного
взаимодействия из уравнения Дирака — фундаментального уравнения квантовой
физики, описывающего движение электрона
с учетом наличия у него спина, а также
релятивистских эффектов.
Этот вывод и
был опубликован в новой статье.
Оказалось, что связь между орбитальным моментом света и спином электрона, которое авторы называют орбитальным магнитоэлектрическим, во многом аналогична хорошо известному в атомной физике спин-орбитальному взаимодействию между спином электрона и его вращательным движением. Так же как и спин-орбитальное, орбитальное магнитоэлектрическое взаимодействие является чисто релятивистским эффектом, не требующим, однако, чтобы скорость частицы была близка к скорости света.
Орбитальное магнитоэлектрическое взаимодействие, по утверждению авторов работы, может объяснить многие уже известные магнитооптические эффекты, в том числе и те, которые до этого оставались не понятыми детально. Например, она объясняет существование так называемой спин-токовой модели в мультиферроиках, позволяющей управлять магнитными свойствами вещества при помощи электрических полей или наоборот, диэлектрическими свойствами при помощи магнитных полей.
То
же взаимодействие дает вклад и в еще
один важный эффект — возникновение
магнитного поля при прохождении через
вещество закрученного света.
Это явление,
известное как обратный эффект Фарадея,
вызывает в последние годы повышенный
интерес в связи с перспективностью его
использования для сверхбыстрой магнитной
памяти.
Пользуясь предсказанным новым типом магнито-оптического взаимодействия, авторы объясняют также и более традиционные эффекты, такие как плоский и аномальный эффекты Холла, а также анизотропное магнетосопротивление в ферромагнетиках. Это позволяет ожидать, что их работы будут полезны в стремительно развивающейся в наши дни спинтронике, в рамках которой разрабатываются принципиально новые способы передачи, хранения и управления информацией. Пока, однако, если судить по цитируемости обсуждаемых работ, большого интереса у других ученых они не вызвали.
Артем Коржиманов
Спин-орбитроника
Как известно, в микроэлектронной индустрии главным носителем информации является электрон.
Спин-орбитроника (миниатюрная электроника) основана на передаче спинового магнитного момента, что требует гораздо меньше энергии, чем при переносе электрического заряда.[1]
2020: В ДВФУ разрабатывают подход для создания миниатюрной электроники будущего
24 августа 2020 года стало известно о том, что ученые Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) вместе с коллегами из России, Южной Кореи и Австралии предложили метод управления спин-электронными свойствами и функциональностью тонкопленочных магнитных наносистем. Открытие важно для создания следующего поколения миниатюрной электроники (спин-орбитроники) и компьютерной памяти. Статья опубликована в NPG Asia Materials. Ученые из лаборатории пленочных технологий ШЕН ДВФУ предлагают управлять функциональностью магнитной наносистемы, построенной по принципу сэндвича, через поверхностные шероховатости магнитной пленки, зажатой между слоем тяжелого металла и покрывающим слоем.
Как пояснялось, варьируя амплитуду шероховатостей на нижней и верхней поверхностях (интерфейсах) магнитной пленки в диапазоне менее нанометра, что сравнимо с размерами атомов, исследователи смогли максимизировать полезные спин-электронные эффекты, важные для работы электроники будущего.
Установлено, что для этого на нижнем и верхнем интерфейсе магнитной пленки шероховатости должны повторять друг друга.
Работоспособность подхода впервые продемонстрировали на примере магнитной системы, состоящей из слоя палладия (Pd) толщиной в диапазоне от 0 до 12 нанометров (нм), покрытого слоем платины толщиной 2 нм и ферромагнетика (сплав CoFeSiB) толщиной 1,5 нм. Многослойную структуру накрывали слоем из оксида магния (MgO), тантала (Ta) либо рутения (Ru) — разные материалы-«крышки» позволяют расширить возможности по управлению магнитными свойствами наносистемы.
В современной электронике размеры транзисторов все время уменьшаются. При этом на август 2020 года общий тренд развития направлен на получение атомарно-гладких бездефектных поверхностей. Однако, было бы большой ошибкой стремиться к идеальным интерфейсам, потому что много физических эффектов лежат за пределами атомарного упорядочения и идеально плоских поверхностей. С уменьшением функциональных элементов электроники роль поверхностных шероховатостей очень сильно возрастает. Во многом благодаря развитию аналитического оборудования, мы только начали глубоко проникать в природу обнаруженных явлений и понимать роль шероховатостей и атомарного перемешивания на интерфейсах. Главный посыл нашего исследования заключается в том, что атомарные шероховатости можно использовать во благо для реализации спин-орбитронных устройств с улучшенными свойствами.рассказал Александр Самардак, автор идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе |
Ученый рассказал, что последние пять лет в мире активно развивается область физики, спин-орбитроника. Она изучает не просто спин электрона (собственный момент импульса электрона – квантовое свойство, не связанное с движением (перемещением или вращением) электрона как целого), а спин-орбитальное взаимодействие. Такое взаимодействие возникает между электроном, вращающимся по орбите вокруг атомного ядра и создающим магнитное поле, и его собственным магнитным моментом, который обусловлен спином электрона.
Преимущество спин-орбитроники в том, что функциональность создаваемых устройств (например, магнитной памяти) обеспечивается непосредственно через управление спин-орбитальным взаимодействием в составляющих их наноматериалах, например, в тяжелых металлах.
Достаточно сильным спин-орбитальным взаимодействием обладают тяжелые металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Если один из таких металлов привести в контакт с тонкой толщиной в несколько атомных слоев, магнитной пленкой (например, Co, Ni, Fe, Py), можно радикально поменять электронные и магнитные свойства системы.
Во-первых, можно управлять намагниченностью, получая наносистемы, намагниченные перпендикулярно плоскости пленки — так делают в современных жестких дисках и разрабатываемых носителях следующего поколения, чтобы повысить плотность хранения информации, увеличить скорость записи/чтения данных и количество циклов перезаписи. Во-вторых, сильное спин-орбитальное взаимодействие в тяжелом металле приводит к «деформации» электронных орбиталей атомов магнитного материала (пленки), в результате возникают спиновые эффекты, такие как магнитное затухание и интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория, появляющееся на границе тяжелого металла и покрывающего его магнитного слоя. Это антисимметричное взаимодействие ведет к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы. Такие спиновые текстуры имеют громадный потенциал для электроники будущего, играя роль энергонезависимых носителей информации. Например, на их основе можно делать компоненты компьютерной памяти, которые будут работать без магнитных головок, а биты в них будут переключаться токовыми импульсами за счет «переворота» спинов электронов. Такие устройства будут работать на скоростях передачи битов до нескольких км/с под действием только электрического тока и вмещать на порядок больше данных.
|
Для эксперимента методом молекулярно-лучевой эпитаксии исследователи вырастили серию палладиевых пленок с монокристаллической структурой, Рис.1(a). Ученые обнаружили, что шероховатая поверхность пленок Pd может быть описана синусоидальной функцией.
Изменяя толщину пленок Pd в диапазоне от 0 до 12,6 нм, им удалось управлять амплитудой и периодом шероховатостей в диапазоне от 0 до 2 нм и от 0 до 50 нм соответственно. После этого магнетронным напылением в вакууме на поверхность палладия нанесли тонкие пленки платины и магнитного сплава Pt(2 нм)/CoFeSiB (1,5 нм) и покрыли их разными материалами (оксидом магния, танталом, рутением), Рис.1(b). Материал «крышки» сильно влиял на магнитную анизотропию, в то время как влияние на взаимодействие Дзялошинского-Мория было не таким значительным. При этом наносимые слои Pt и CoFeSiB повторяли морфологию поверхности Pd.
В итоге исследователи обнаружили, что, не изменяя состава магнитной системы, а только варьируя поверхностные шероховатости в суб-нанометровом диапазоне путем изменения толщины слоя Pd, можно менять ее функциональные свойства. Например, величина взаимодействия Дзялошинского-Мория повышалась в 2,5 раза при толщине слоя Pd в 10 нм. Именно при этой толщине шероховатости нижнего и верхнего интерфейсов магнитной пленки были максимально скоррелированы.
По словам Александра Самардака, исследование заняло около четырех лет, еще год потребовался для публикации статьи в престижном журнале издательства Nature. Рецензенты долго не могли поверить в возможности управления спин-орбитальными свойствами путем модулирования шероховатостей. В ходе переписки авторам удалось убедить рецензентов и отстоять свою точку зрения. На август 2020 года идет подготовка образцов совместно с зарубежными партнерами для изучения влияния шероховатостей интерфейсов на спиновый эффект Холла и эффект передачи спин-орбитального крутящего момента импульса, что позволит вплотную подойти к реализации ячеек памяти, магнитный момент которых переключается только электрическим током.
Работа выполнена в рамках Государственного задания № 0657-2020-0013 Минобрнауки России «Многофункциональные магнитные наноструктуры для спинтроники и биомедицины: синтез, структурные, магнитные, магнито-оптические и транспортные свойства».
Ученые ДВФУ на август 2020 года ведут фундаментальные исследования и практические разработки по приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития РФ, включая такое направление, как виды материалов, которые необходимы для перехода к технологиям будущего.
Смотрите также
Примечания
Спин-орбитальный эффект близости в графене
Предметы
- Электронные свойства и материалы
- Графен
- Полупроводники
Аннотация
Разработка устройств спинтроники основана на эффективной генерации спин-поляризованных токов и их управляемом электрическим полем манипулировании. Хотя наблюдение исключительно больших длин спиновой релаксации делает графен интересным материалом для исследований в области спинтроники, модуляция спиновых токов в электрическом поле практически невозможна из-за незначительной внутренней спин-орбитальной связи графена. В этой работе мы создаем искусственную границу между монослоем графена и многослойным полупроводниковым дисульфидом вольфрама.
В этих устройствах мы наблюдаем, что графен приобретает спин-орбитальное взаимодействие до 17 мэВ, что на три порядка выше его собственного значения, без изменения структуры графена. Спин-орбитальная связь в непосредственной близости приводит к эффекту спинового Холла даже при комнатной температуре и открывает двери для транзисторов с эффектом спинового поля. Мы показываем, что собственные дефекты дисульфида вольфрама играют важную роль в этом эффекте близости и что графен может действовать как зонд для обнаружения дефектов в полупроводниковых поверхностях.
Вступление
Графен является многообещающим материалом как для фундаментальных спин-транспортных явлений, так и для применения в устройствах с низким энергопотреблением на спиновой основе 1, 2 . Одним из первых предсказаний для графена был топологический изолятор с спин-поляризованными краевыми состояниями 3 . Кроме того, перенос баллистического заряда 4 при комнатной температуре (RT) и перестраиваемость затвора делают графен идеальным материалом для транзисторов с полевым спином (FET) 5 .
Однако чрезвычайно слабая внутренняя спин-орбитальная связь (SOC) 6 графена делает экспериментальное наблюдение этих явлений очень сложным. Предыдущие исследования показали, что слабое гидрирование графена может значительно увеличить SOC 7, 8 . Тем не менее, химическая функционализация вводит беспорядок и серьезно ограничивает подвижность заряда и, следовательно, длина спиновой релаксации 8, 9 . Не менее важно, что гибридизация между водородом и углеродом индуцирует SOC типа Рашбы путем введения дефектов sp 3, тем самым нарушая инверсионную симметрию решетки 10 . Украшение поверхности графена адатомами тяжелых металлов, такими как золото (Au), индий (In) или таллий (Tl), также было предложено для увеличения SOC 11, 12 . Однако этот подход также вводит беспорядок и, следовательно, в равной степени ограничивает свойства как заряда, так и переноса спина 13 .
Эти проблемы недавно выявили другие двумерные кристаллы, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMDC).
TMDC имеют запрещенные зоны в технологически привлекательном диапазоне энергий (~ 1–2 эВ) и на порядки выше SOC, чем графен 14 . Это в сочетании со спиновыми полосами делает их практически идеальным материалом для спинтроники. Однако присутствие неизбежных дефектов в TMDC обычно ограничивает их подвижность электронов до µ ~ 100 см 2 В -1 с -1 (ссылка 15). Следовательно, мы ожидаем, что длина спиновой релаксации будет даже меньше, чем в слабо гидрированном графене.
В этой работе мы покажем, что, используя эффект близости между графеном и TMDC, можно сохранять необычайно высокие подвижности кристаллического графена и в то же время увеличивать его SOC, чтобы обеспечить управляемые электрическим полем спиновые токи при комнатной температуре. Поскольку графен и WS 2 имеют сравнимые рабочие функции (~ 4, 6 эВ и ~ 4, 7 эВ соответственно) 16, 17, 18, ожидается, что точка нейтральности заряда графена на WS 2 будет находиться приблизительно в середине энергетической щели WS 2.
, Следовательно, наивно можно ожидать, что WS 2 будет действовать как еще один инертный субстрат, такой как SiO 2 или BN. Примечательно, что наличие собственных дефектов в WS 2 создает электронные состояния, которые по энергии перекрываются с электронными состояниями графена. Из-за конечной толщины подложки WS 2 (~ 10 нм) число этих дефектов велико. Таким образом, выше порогового напряжения затвора ( V TH ) они действуют как приемник для электронных зарядов, что приводит к проводимости, не зависящей от затвора ( V BG ). Для V BG < V TH наши устройства обладают электронной подвижностью, достигающей 50000 см 2 В -1 с -1, что сопоставимо с данными, полученными на подложках 19 BN без признаков улучшения SOC. Напротив, для V BG > V TH мы обнаружили гигантское усиление SOC (~ 17 мэВ). Комбинация высокой подвижности заряда и большого SOC, вызванного близостью, приводит к перестраиваемому затворному эффекту Холла (SHE) даже при комнатной температуре, который является важнейшим компонентом в реализации парадигм спинтроники, таких как спиновой полевой транзистор 5 и, возможно, даже квантовый спиновый изолятор Холла 3 .
Результаты
Структура устройства и конфигурации измерений
Изготовление устройств гетероструктуры графен / WS 2 (рис. 1а) начинается со стандартного метода сухого переноса 4 однослойного графена (SLG) на несколько атомно-плоских слоев WS 2 (см. Дополнительный рис. 1). Впоследствии, электронно-лучевая литография используется для формирования электродов и графенового рисунка в холле. Типичные длины и ширины канала составляют L = 3 мкм и w = 1 мкм соответственно. Пара электродов также создается непосредственно на WS 2 . Оптическое изображение типичного конечного устройства показано на рис. 1б. Эксперименты проводились в двух разных конфигурациях измерений. В обычной конфигурации локального измерения с четырьмя контактами (столбец Холла) ток I 16 течет между контактом 1 и контактом 6, и локальное падение напряжения измеряется между контактом 2 и контактом 4. В конфигурации нелокального измерения (H бар), ток I 23 протекает между парой контакта 2 и контактом 3, и нелокальное напряжение V 45 регистрируется на соседней паре контакта 4 и контакта 5 (рис.
1в). Все измерения были выполнены с помощью стандартной техники блокировки переменного тока на низких частотах в вакууме в зависимости от магнитного поля ( B ), напряжения на заднем затворе ( V BG ) как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого гелия. Всего мы охарактеризовали 10 графеновых / WS 2 устройств. Здесь мы обсудим два типичных устройства, и если не указано иное, показанные результаты получены от устройства B.
( а ) Схематическое изображение многослойного гетероструктурного устройства WS 2 / графен. Самое высокое незанятое состояние серной вакансии изображено желтым цветом, выделяя атомы W, наиболее близкие к вакансии. Атомы W, S и C представлены темно-серой, оранжевой и светло-серой сферами соответственно. ( б ) Оптическая микрофотография готового устройства с несколькими переходами Холла на гетероструктуре G / WS 2 и двухполюсным устройством на WS 2 .
Масштабная линейка, 2 мкм. ( c ) Схемы для локальных и нелокальных конфигураций измерений.
Изображение в полном размере
Местный транспорт
На рисунке 2а показана локальная проводимость графена σ на подложке WS 2 как функция V BG при T = 1, 5 К ( мк ч ≈ 18 000 см 2 В -1 с -1 ). В то время как на стороне отверстия σ является линейным в V BG, на стороне электронов σ насыщается выше порогового напряжения V TH ≥15 В. Аналогичное поведение наблюдается во всех графенах на устройствах WS 2 и отсутствует, например, в графене. на устройствах BN. Мы также выполнили измерения I- V с двумя клеммами непосредственно на WS 2 . Чтобы минимизировать любое шунтирование тока через WS 2, мы используем контакты Cr / Au (см. Дополнительные рисунки 2 и 3). При таких измерениях наблюдается только изолирующий отклик в том же диапазоне V BG .
Далее мы обсудим измерения, зависящие от перпендикулярного магнитного поля ( B ⊥ ), как показано на рис. 2б, в. Из измерений эффекта Холла в слабых полях мы видим, что начало насыщения проводимости со стороны электронов связано с насыщением плотности заряда при ~ 7 × 10 11 см -2 (вставка, рис. 2в). Подвижность электронов выше области насыщения оценивается в μ e ≈ 24 750 см 2 В -1 с -1 . Наблюдение такой повышенной подвижности электронов по сравнению с графеновыми устройствами, изготовленными на подложке SiO 2, обусловлено улучшенной шероховатостью подложки и уменьшением остатков при изготовлении, оставленных на графене (см. Дополнительную фиг. 4). В сильных полях B this это неожиданное насыщение в результате проводимости даже меняет хорошо известную веерную диаграмму графена на уровне Ландау (LL). Это хорошо видно на диаграмме веера, где продольное сопротивление R XX записано на цветном графике как функция как V BG, так и перпендикулярно нанесенного B ⊥ (рис.
2b). Например, при B 4.5 = 4, 5 Тл R XX по сравнению с V BG показывает регулярный целочисленный квантовый эффект Холла со стороны дырок с коэффициентом заполнения v = 2, 6, 10, 14, 18, 22. Однако только со стороны электронов квантование для первых двух LL наблюдается. Поскольку LLs в графене не распределены по энергии одинаково, можно зафиксировать сопротивление графена даже на первом LL для | B ⊥ |> 10 Тл (рис. 2в), что делает такую гетероструктуру графен / WS 2 потенциально подходящим прибором для метрологии квантового сопротивления 20 (см. Дополнительную рис. 5).
( a ) Измерение локального удельного сопротивления (черные линии) и проводимости (темно-желтая линия) как функции напряжения на заднем затворе при 1, 5 К. ( b ) Диаграмма продольного сопротивления вентилятора Ландау как функция магнитного поля и напряжения на заднем затворе, ( в ) Соответствующие графики продольного сопротивления в зависимости от напряжения на заднем затворе при постоянных магнитных полях.
(Черные и темно-желтые линии представляют 4, 5 Т и 12 Т, соответственно.) Вставка: концентрация несущей как функция приложенного напряжения на заднем затворе.
Изображение в полном размере
Нелокальный спиновый транспорт
Теперь обратим внимание на нелокальные транспортные измерения. Этот метод измерения является мощным инструментом для обнаружения зависимых от вращения явлений переноса, которые в противном случае не замечаются. Недавно эту конфигурацию, например, использовали для обнаружения спиновых токов, индуцированных зеемановским взаимодействием, в графене в присутствии перпендикулярного магнитного поля 21, 22, приложенного извне. Балакришнан и соавт. 8, также реализовал эту геометрию, чтобы продемонстрировать увеличение SOC в гидрированном графене путем измерения прецессии спина в магнитном поле в плоскости. Сначала мы обсудим нелокальное измерение RT графена на устройстве SiO 2 сравнимой подвижности ( μ ≈ 13 000 см 2 В -1 с -1 ) (рис.
3а). Для таких устройств нелокальное сопротивление симметрично относительно пика Дирака, и его величина во всем диапазоне смещения задних затворов может быть полностью учтена омическим вкладом в утечку 23, ~ ρe – πL / w (штриховая пунктирная подгонка к данные). Напротив, графен на подложках WS 2 (устройства B и C, рис. 3b, c) показывает нелокальный сигнал, который не может быть учтен омическим вкладом ни количественно, ни качественно. Во-первых, величина наблюдаемого нелокального сигнала почти на порядок больше, чем в графене на образцах SiO 2 . Что еще более важно, мы наблюдаем сильную электронно-дырочную асимметрию в нелокальном сопротивлении, которая полностью отсутствует как в графене на SiO 2, так и даже в графене на подложках BN (не показано). Например, устройство B и устройство C имеют нелокальную разность сигналов R между стороной отверстия и электронной стороной R ~ 6, 5 Ом и R ~ 20 Ом соответственно. Мы находим, что существует различие между нелокальными сигналами от образца к образцу, наиболее вероятное из-за изменения количества беспорядка в каждом образце (см.
Дополнительную рис. 6; дополнительная таблица 1; дополнительное примечание 1). Однако электронно-дырочная асимметрия в нелокальном сигнале наблюдается во всех наших устройствах графен / WS 2 . Не менее важно, что начало асимметрии совпадает с V TH, при которой локальная проводимость насыщается. Обратите внимание, что эта асимметрия исключает тепловые эффекты, как обсуждалось в работе. 22 как доминирующий эффект.
( а ) Измерение нелокального сопротивления в зависимости от напряжения заднего затвора при комнатной температуре в эталонном устройстве графен / SiO 2 . Образец A: (черная линия) с его расчетным омическим вкладом (синяя линия). ( b, c ) Нелокальные измерения для образца B и образца C при 1, 5 K и RT соответственно. Вставка ( b ) представляет полный диапазон данных из ( b ). ( d ) Диаграмма веера нелокального сопротивления как функция магнитного поля в плоскости и напряжения на заднем затворе.
Цветовая шкала настроена так, чтобы показывать от 12 до 20 Ом для уточнения. Соответствующие графики нелокального сопротивления как функции магнитного поля в плоскости при постоянных напряжениях на заднем затворе (черные, розовые и темно-желтые линии представляют 37 В, 2 В (точка Дирака (DP)) и -37 В, соответственно).
Изображение в полном размере
Плоская зависимость нелокального сигнала от магнитного поля
Чтобы определить происхождение нелокального сигнала, мы применили магнитное поле B || в плоскости устройства параллельно направлению тока. Такие измерения прецессии спина Ханле для устройства B в зависимости от V BG приведены на рис. 3d. Также здесь мы видим четкую электронно-дырочную асимметрию. Критическое напряжение затвора, при котором полевая зависимость нелокального сигнала заметно меняется, снова совпадает с V TH, при котором наблюдается насыщение проводимости. Для всех V BG < V TH нелокальный сигнал не зависит от магнитного поля.
Два представителя R NL против B || следы при V BG = −37 В и V BG = 2 В (точка Дирака (DP)) показаны на рис. 3d. С другой стороны, для всех V BG > V TH нелокальный сигнал показывает максимум при нулевом магнитном поле и уменьшается с увеличением | B || | с началом поведения колебательного типа, четко видимого для | B || |> 8 T. Примечательно, что максимальное наблюдаемое изменение нелокального сигнала Δ R ~ 6 Ω в зависимости от поля сравнимо с разницей, наблюдаемой в нелокальном сигнале Δ R, в зависимости от V BG (рис. 3б). Важно отметить, что в этой конфигурации измерения только спиновый ток может вызвать сигнал, зависящий от магнитного поля 23, 24 . Таким образом, наблюдение колебательного сигнала, зависящего от магнитного поля, непосредственно доказывает происхождение спина нелокального сигнала. Чтобы гарантировать отсутствие вклада от джоулева нагрева и других паразитных источников, мы также выполнили измерения постоянного тока с токами смещения в несколько мкА при обеих полярностях тока (см.
Дополнительную рис. 7). Как величина, так и асимметрия нелокального сигнала идентичны при измерениях постоянного и переменного тока (см. Дополнительную рис. 8). Теперь мы готовы извлечь параметры спинового транспорта наших устройств. Для этого подгоняем полевую зависимость нелокального сигнала, используя следующее уравнение 23 :
где γ – коэффициент спинового Холла, w – ширина канала, ρ – удельное сопротивление канала, ω B – частота Лармора, τ s – время спиновой релаксации, а λ s – длина спиновой релаксации. Получим λ s = 2 мкм, τ s = 5 пс. Сильно уменьшенное τ s по сравнению с τ s гидрированных графеновых устройств 8 (~ 90 пс) и графеновых спиновых клапанов 1 (~ 200 пс) является прямым следствием огромного увеличения SOC. Однако наличие высокой диффузионной константы ( D ) в графеновых / WS 2 устройствах с высокой подвижностью приводит к большим λ s ), что сопоставимо с теми, которые наблюдаются в устройствах спиновых клапанов на основе графена 1 .
Окончательно вычислим силу близости SOC Δ SO . Поскольку доминирующим механизмом дефазировки в SLG является тип Эллиота – Яфета 1, 25, мы имеем
(ссылка 26) где ε F – энергия Ферми, а τ P – время релаксации импульса. , Таким образом, мы получаем близость SOC 17, 6 мэВ, что даже выше, чем при гидрировании графена 8 . При этом мы идентифицируем SHE и обратный SHE как источник наблюдаемого нелокального сигнала. Последнее возможно только из-за усиления на три порядка собственного SOC-графена в непосредственной близости от WS 2 . Сила SOC, которая извлекается из температурной зависимости сигнала прецессии спина, находится в том же порядке, что и значение, извлеченное выше (см. Дополнительный рисунок 9). Измерения магнитосопротивления в слабом поле предоставили еще одно доказательство сильного усиления SOC для V BG > V TH . Здесь мы видим при одном и том же пороговом напряжении переход от положительного к отрицательному магнитосопротивлению (см.
Дополнительную рис. 10). Этот переход от слабой локализации к слабому поведению анти-локализации обеспечивает независимое доказательство SOC, вызванного эффектом близости.обсуждение
Далее мы обсудим происхождение эффекта близости более подробно. В последнее время в чешуйках MoS 2 наблюдались одиночные вакансии серы с использованием метода прямого изображения с атомным разрешением 27, 28 . Подобные структурные дефекты также ожидаются для кристаллов WS 2 (см. Дополнительную фиг. 11). Для этой цели мы охарактеризовали наши выращенные методом химического транспорта пара кристаллы WS 2 с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. На рисунке 4а показаны спектры рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии W 4f и S 2p, из которых мы оцениваем большую концентрацию вакансий серы порядка 10 13 см -2 (см. Дополнительное рис. 12; дополнительное примечание 2). Этот результат показывает, что в зазоре WS 2 имеются локализованные состояния, возникающие из вакансий серы.
В качестве следующего шага мы выполнили расчеты ab initio полностью релятивистской теории функционала плотности (DFT), чтобы обсудить происхождение этих состояний и его актуальность для наблюдаемых явлений (см. Дополнительное рис. 13; дополнительное примечание 3 для моделей других возможных источников расстройство). Наши расчеты для зонной структуры интерфейса графен / WS 2 показывают, что точка Дирака графена находится в запрещенной зоне WS 2 (рис. 4б). Зонная структура границы раздела является почти суперпозицией зонных структур двух группировок. Самая низкая зона проводимости WS 2 практически не изменяется при наличии графена. Отметим, что близость WS 2 с вакансиями или без них не вызывает какого-либо значительного SOC в электронных полосах графена (см. Дополнительный рисунок 14).
( а ) XPS с высоким разрешением уровней ядра W 4f и S 2p . ( б ) Зональные структуры графена и объемного WS 2 с вакансией серы в объемном WS 2 (выровненные по энергии уровня вакуума).
В последнем случае жесткое смещение 0, 2 эВ было применено к незанятым состояниям, чтобы скорректировать ширину запрещенной зоны до экспериментального значения 32 (сравните с дополнительной фиг. 14).
Изображение в полном размере
С другой стороны, вакансия серы ( V S ) вводит двойное незанятое состояние в верхней половине запрещенной зоны объемного WS 2 . Как показано на рис. 4б, уровень Ферми пересекает только графеновые состояния, поэтому для продольного переноса электронов используются π- состояния графена; поперечный перенос электронов включает туннелирование от графена к акцепторным состояниям вакансий и обратно к графену.
На самом деле, используя где ν F – скорость Ферми (0, 9 × 10 6 м с -1 ), рассчитанная по эффективной массе носителей заряда (см. дополнительный рисунок 15), а n – концентрация носителей (7 × 10 11 см -2 ) при V TH при V TH получаем ε F ~ 0, 09 эВ, что хорошо согласуется с нашей теоретической оценкой.
Состояния средней щели возникают на оборванных связях вакансий и локализуются на W. Они имеют необычно большое спиновое расщепление около E SO ~ 0, 2 эВ, которому мы приписываем происхождение наблюдаемой близости SOC. Электроны графена переходят из графена в вакансии в WS 2 посредством квантового туннелирования. Это туннелирование основано на близости волновой функции вакансионных состояний к графену, которая характеризуется энергией гибридизации V H. Из теории возмущений второго порядка ( E SO ≈ V H2 / Δ SO ) энергия гибридизации оценивается в 0, 059 эВ.
В заключение мы продемонстрировали вызванное близостью усиление в противном случае слабого SOC в графене при одновременном сохранении его исключительно высокого электронного качества. Наши результаты в гетероструктурах графен / WS 2 показывают SOC вплоть до 17 мэВ, что привело к наблюдению SHE даже при комнатной температуре. SHE дополнительно поддерживается путем выполнения измерений прецессии спина.
Наши подробные теоретические и экспериментальные анализы показывают, что происхождение эффекта близости является внутренним из-за неизбежных дефектов в субстрате WS 2 . Эти дефекты не только сильно увеличивают SOC, но и действуют как сток для электронных зарядов графена, когда уровень Ферми выравнивается с этими локализованными состояниями, что приводит к проводимости, которая не зависит от смещения затвора. Такое усиление SOC имеет решающее значение для разработки спиновых полевых транзисторов на основе графена.
методы
WS 2 выращивание кристаллов
Объемные кристаллы 2H-WS 2 были выращены методом химического транспорта паров с использованием йода в качестве транспортного агента. Полученный порошок WS 2 (Alfa Aesar, чистота 99, 9%) герметизировали в ампуле из плавленого кварца. Ампулу выдерживали при температурном градиенте от 875 до 935 ° С в двухзонной печи в течение 1 недели. Кристаллы WS 2 росли на холодном конце ампулы.
Сухой метод передачи
Перенос графена на субстрат WS 2 начинается с микромеханического расслоения чешуек SLG на двухслойной полимерной стопке. Полимер нижнего слоя растворяют в своем проявителе, так что оставшийся резист (полиметилметакрилат (ПММА)) и хлопья графена изолируются от поддерживающей подложки. Полученная пленка ПММА / графен переносится на ранее отслоившийся кристалл WS 2 (толщина подложек WS 2 варьировалась от 5 до 15 нм). Во время этого процесса поверхность графена, которая должна быть перенесена на поверхность кристалла WS 2, никогда не подвергается воздействию какого-либо растворителя, что приводит к ультрачистым поверхностям раздела. После процесса переноса поверхность графена, которая контактирует со слоем ПММА, отжигают при 340 ° С в течение 6 ч в образующемся газе для удаления остатков переноса. Барные конструкции холла изготавливаются только в местах, где нет морщин. Электронное качество графеновых устройств, изготовленных на разных двумерных кристаллах с использованием этого метода сухого переноса, обсуждается в работе.
29.
DFT расчеты
Полностью релятивистские расчеты ДПФ были выполнены с использованием метода, описанного в работе. 30. Для дисперсии мы использовали поправку по Grimme 31 . Массовая WS 2 была смоделирована с использованием суперячейки 4 × 4 × 1 с экспериментальным отношением c / a. Интерфейс монослоя графен / WS 2 моделировали в суперячейке с 3 × 3 примитивными клетками WS 2 и 4 × 4 примитивными клетками графена с соответствующими векторами решетки.
Дополнительная информация
PDF файлы
- 1.
Дополнительная информация
Дополнительные рисунки 1-15, Дополнительные таблицы 1, Дополнительные примечания 1-3 и Дополнительные ссылки
Комментарии
Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Принципы сообщества. Если вы обнаружили что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неуместное.
Эффект спин-селективной адсорбции водяного пара
Вигасин А. Лаборатория спектроскопии межмолекулярных взаимодействий,
Тел.: +7 (095) 132-8165 В работе показано, что адсорбция водяного пара при нормальных условиях позволяет дискриминировать молекулы воды по их спиновому состоянию. Образцы, обогащенные орто- или пара-спин-изомерами воды, могут сохраняться длительное время в конденсированной фазе, не претерпевая спонтанной спин-конверсии. Показано, что нарушение равновесия по спин-модификациям воды в атмосфере может привести к заметному изменению ее радиационных характеристик. Эффект спин-селективной адсорбции водяного пара на поверхности окиси алюминия был обнаружен около 10 лет назад (см. Идея эксперимента состоит в попытке наблюдать нарушение орто-пара-равновесия в воде в результате ее взаимодействия с адсорбентом путем непрерывного слежения за интенсивностью спектральных орто- и пара-линий вращательного спектра молекулы воды. В качестве зонда была выбрана удобная для регистрации пара близкорасположенных интенсивных орто- и пара-линий, относящихся к вращательному участку спектра (рис. 1). Смесь водяного пара с азотом в качестве газа-носителя медленно пропускали сквозь адсорбционную колонку, заполненную пористым углем. Выходящий из колонки газ направлялся в кювету, сопряженную с субмиллиметровым ЛОВ-спектрометром. В кювете рабочую смесь зондировали на частотах 30-40 см-1 пучком перестраиваемого по частоте монохроматического излучения. В кусочно-непрерывном режиме со скоростью 10 точек/с, разрешением 0,0003 см-1 и периодичностью 1 мин записывался коэффициент пропускания газового слоя и наблюдалась картина орто-пара-дублета, представленная на рис.
Результирующий вид отношения
в зависимости от времени показан на
рис. 3. Как видно, орто-молекулы воды обладают большей подвижностью в угольном фильтре. По этой причине в процессе диффузии через адсорбент начальные порции водяного пара обогащались орто-молекулами, а последующие – пара-молекулами. Орто- и пара-обогащенные порции водяного пара в соответствующие моменты времени отбирались из потока и вымораживались с помощью азотной ловушки. Накопленные таким способом пробы спин-модифицированной воды объемом до 50 мл хранились в бытовом холодильнике. Через определенное время их размораживали и подвергали повторному спектральному анализу на орто-пара-содержание. Качественная модель процесса спин-селективной адсорбции может быть представлена следующим образом. Пусть общее число молекул водяного пара равняется N0, из которых N0ort находятся в орто- и N0par в пара-состояниях, так что N0ort+N0par=N0 Если предположить, что скорости адсорбции и десорбции спиновых фракций различны и между ними не происходит взаимной конверсии ни в газовой фазе, ни на поверхности, то процесс диффузии можно описать с помощью следующей системы уравнений: Здесь индексы а и d относятся соответственно к процессам адсорбции и десорбции. которое должно удовлетворять начальным условиям термодинамического равновесия. Отсюда для отношения Nort/Npar будем иметь С помощью этого решения можно описать экспериментальные данные (рис. 3), находя константы скорости адсорбции и десорбции с помощью процедуры метода наименьших квадратов. Считаем, что в начальный момент времени отношение
N0ort/N0par = 3. Подгонка теории под эксперимент дает
в относительных единицах: korta=0,9; kortd=0,08;
kpara = 3,5; kpard = 0,5. Видно, что кинетические константы для пара молекул в 3-6 раз превышают константы для орто-молекул. В качестве возможного объяснения этому отличию можно предложить следующее. Для того чтобы охарактеризовать различие в константах адсорбции, введем в рассмотрение константу равновесия Keq, которая, очевидно,
равняется Keq =ka/kd=(Qh3O*Qsurf)/Qads .
Оказывается невозможным, однако, описать последующее превышение содержания пара фракции над орто-фракцией. Водяной пар в атмосфере постоянно находится в нестационарных условиях, испытывая конденсацию и испарение в объеме воздушной среды на частицах аэрозолей в примесей, в облаках и на земной поверхности. Можно ожидать поэтому, что при определенных условиях в процессе кинетических трансформаций равновесное отношение спиновых модификаций в водяном паре будет нарушено. где через х обозначено отношение Nort/Npar (см. рис. 4). Средняя линия, показанная на рис. 4 штриховой линией, характеризует неравновесный коэффициент поглощения, усредненный по участку, содержащему большое количество случайно расположенных орто- и пара-линий поглощения. Таким образом, в настоящей работе показана возможность нарушения равновесного орто/пара-отношения в воде в результате ее контакта с адсорбентом и способность метастабильных орто- и пара-модификаций существовать в виде самостоятельных субстанций на протяжение длительного времени. Высказано предположение о возможном нарушении орто/пара-отношения в естественных процессах. Показано, что эффект нарушения спинового равновесия при конденсации паров воды может иметь важное значение для распространения излучения и радиационного баланса в атмосфере. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований 02-05-64529 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
|
А., Волков А.А., Тихонов В.И., Щелушкин Р.В. 
, например, [1]). В [2] показано, что данный эффект может быть использован для разделения спин-изомеров воды методом фронтальной хроматографии. Параллельная ориентация спинов водорода в молекуле воды приводит ее в состояние орто-модификации, а антипараллельная – в состояние пара-модификации. Отношение статистических весов для орто- и пара-состояний равняется 3, поэтому в равновесном водяном паре при нормальных условиях содержание орто-изомеров в 3 раза превышает содержание пара-изомеров. Поскольку переходы между орто- и пара-состояниями молекулы запрещены, водяной пар является, по существу, смесью независимых орто- и пара-фракций. В настоящей работе описывается лабораторный эксперимент, в котором методом спин-селективной адсорбции достигается по крайней мере троекратное изменение равновесного 3 : 1 орто/пара-отношения в водяном паре. Предлагается качественное объяснение наблюдаемого явления и показано, что нарушение орто-пара-отношения в условиях реальной атмосферы способно привести к заметным вариациям ее радиационных характеристик.
2. Найдено, что в процессе прохождения водяного пара сквозь адсорбент происходит закономерное и хорошо воспроизводимое перераспределение интенсивностей линий. Парциальное давление водяного пара в нашем эксперименте не превышало 1 Top, что позволяло пренебречь допплеровским уширением и учитывать только столкновительное уширение. Полагалось, что наблюдаемые линии имеют лоренцевскую форму с интегральными интенсивностями и полуширинами соответственно Sort и Spar и gort и g par. Сумма двух лоренцевских контуров в реальном масштабе времени вписывалась в измеряемые линии, что давало количественную оценку изменения интегральных интенсивностей орто- и пара-линий и, соответственно, искомого орто/пара-отношения в водяном паре.
2.Типичные профили измеряемых линий при равновесии (штриховая линия) и в ходе эксперимента по истечении 6 ч.
Побывавшая в твердой и жидкой фазах обогащенная по орто-или пара-модификациям вода вновь демонстрировала отличное от равновесного орто/пара-отношение. Время жизни модификаций оценено в десятки минут для жидкой воды и месяцы для льда. Нами также найдено, что помимо угля в качестве спин-модификаторов воды могут выступать многие другие вещества с развитой поверхностью типа цеолитов, силикагеля и т.п.
Решение этой системы уравнений может быть представлено в виде
Для разреженного газа десорбция молекулы с поверхности может рассматриваться как мономолекулярный процесс [З]. Это означает, что молекула десорбируется, когда энергия, превышающая энергию отрыва с поверхности, сосредоточивается на разрываемо связи. Соответствующая константа скорости может представлена в виде: k=(v*W)/Q, здесь v- скорость активации, W – число состояний, имеющих энергию выше порога диссоциации, Q – квантовая статсумма. Основным источником избыточной внутренней энергии является энергия межмолекулярных колебаний, не зависящая от спинового состояния адсорбированной молекулы, поэтому и число состояний W можно полагать не зависящим от спиновой модификации. Напротив, статсумма может включать в себя вращательную составляющую при условии, что адсорбированная молекула совершает заторможенное или свободное вращение в составе комплекса молекула-поверхность. Можно ожидать поэтому, что отношение констант десорбции будет различаться в 3 раза: kortd/kpard=1/3
Здесь Qh3O, Qsurf и Qads – статсуммы молекулы воды, поверхности и комплекса молекула-поверхность соответственно. Полагая, что
, можно заключтиь, что отношение korta/kpara должно составлять 1/3. Если принять подобные отношения для констант скорости адсорбции и десорбции, не составляет труда аппроксимировать экспериментальную зависимость, представленную на рис. 3 в области орто/пара-отношения, превышающего равновесное
Для того чтобы сделать это описание полным, следует предположить, что в действительности отношение констант адсорбции korta/kpara составляет не 1/3 = 0,333(3), а равняется приблизительно 0,5-0,7. Как показано на рис. 3, при таком предположении удается весьма точно передать качественный ход наблюдаемой кинетики орто/пара-отношения. На основе эксперимента и предложенной модели можно предположить, что неравновесное разделение воды на орто- и пара-спин-изомеры естественным образом происходит в различных природных процессах – в живых организмах и окружающей среде. В частности, не исключено, что долговременные флуктуационные нарушения орто/пара-отношения 3 : 1 существуют в атмосфере.
Представляет интерес оценить, насколько это нарушение может сказаться на функции пропускания атмосферы. Если вариации пропускания атмосферы при нарушенном спиновом составе окажутся значительными, это будет означать, что моделирование радиационных характеристик атмосферы невозможно без детального знания кинетической предыстории водяного пара в атмосфере. Для оценки эффекта мы рассчитали модельный спектр пропускания слоя водяного пара при атмосферных условиях на основе данных о параметрах линий водяного пара, содержащихся в базе данных HITRAN [4]. Расчеты производили для спектральной области вблизи 10 мкм, в которой расположен максимум планковской кривой излучения нагретой поверхности Земли. Помимо “равновесного” коэффициента поглощения aeq, отвечающего прохождению излучения через слой водяного пара с нормальным орто/пара-отношением 3:1, был рассчитан “неравновесный” коэффициент поглощения aneq, отвечающий нарушенному орто/пара-отношению. Оказалось, что поглощение на выделенных длинах волн и интегральное поглощение по участку спектра заметно чувствительны к нарушению орто/пара-равновесия.
Нетрудно показать, что в зависимости от степени нарушения равновесного спинового состава, нормированный на равновесное значение коэффициент поглощения водяного пара заключен в фиксированных пределах, а именно, ограничен областью
Спин-эффект аномальный – Справочник химика 21
Отметим, что, как показано в [124, 125], даже в немагнитных неполяризованных кристаллах, помещенных во внешнее магнитное поле, можно наблюдать. Многоотная прецессия спина нейтрона и зависящий от Н эффект противления ядерных мощностей, а при воздействии на монокристалл переменного внешнего поля (магнитного, звукового) возникла зависящие от частоты поля аномального подавления ядерных ядер (аналогичный рассмотренный рассмотренный выше) и многочастотной прецессии спина нейтрона.
[около 144] Эффект Зеемана для нескольких электронов с учетом спина электрона имеет более сложный характер (аномальный или сложный эффект Зеемана). Его рассмотрение следует проводить на основе квантовой механики. [c.254]
Происхождение названий аномальный и нормальный эффекты Зеемана относится к периоду, когда представление об электронном спине еще не введены в квантовую механику. Как это легко показать, может быть объяснен и в описании с набором обычных квантовых чисел п, [c.83]
Неравновесная заселенность ядерных веществ в продуктах радикальных эффектов проявляется в ЯМР-спектрах двояким образом в виде интегрального и мультиплетного эффектов. Интегральный эффект заключается в том, что в продуктах реакции преимущественной ориентации ядерных спинов в направлении внешнего поля или против него, добавляет чего в ЯМР-спектре продукта наблюдается или аномально высокое поглощение (А) или излученное излучение ().
[c.200]
Тем не менее аномальный эффект оставался большой загадкой до введения гипотезы о спине электрона, это произошло спустя лишь двадцать пять лет. [c.364]
Интегральный эффект. Интегральный эффект ХПЯ или ХПЭ – это преимущественная ориентация ядерных спинов в продуктах реакции (или спинов неспаренных электронов в радикалах) в направлении поля или против него. Мерой интегрального эффекта химической поляризации может служить зеемановская энергия спинов, которая в термодинамическом равновесии отрицательна. В ходе процесса реакции зеемановская энергия спина положительной, это означает, что в дальнейшем ускоренная система может отдать накопленную в ней энергию.В этом случае на частоте магнитного резонанса спинов будет наблюдаться излучение. Если же в ходе реакции зеемановская энергия спинов уменьшается, т. е. резервуар зеемановского эксперимента спинов охлаждается, для этого нужно ввести систему системы до температуры термостата В этом случае в спектрах магнитного резонанса будут наблюдаться линии, соответствующие аномально большому поглощению.
[c.89]
Контактное сверхтонкое Л / 5-взаимодействие в ближайшем окружении парамагнитного иона.Времена корреляции. Справедливость неравенства (1.17) была неоднократно подтверждена [22, 35, 50, 61, 62] при исследовании решений ряда парамагнитных солей элементов 3 -группы. Однако в некоторых случаях установлено, что для измеряемых на опыте времен релаксации данное соотношение не выполнено. Так, в растворах солей марганца 38], хрома и ванадила [35] времена спин-решеточной релаксации протонов оказались больше времен спин-спиновой релаксации протонов Т] в> Т2в- Первая попытка получить этот эффект была сделана [35].Замечено, что для первых, которые дают аномальное отношение Т в / Т в протонов, всегда спектр ЭПР в растворах при комнатной температуре, т. е. они имеют длинные времена электронной релаксации Тз. На основании этого предположения, что оно может быть тогда корреляционным временем не только, когда оно короче времени броуновской диффузии [см. уравнение (1.
14)], но также и в том случае, когда имеет место обратная зависимость. [c.21] Предположение о спине электрона объясняет также аномальный эффект Зеемана и так называемую тонкую структуру многих спектральных линий, как, нанример, О-дублета натрия.Эти вопросы будут рассмотрены в дальнейшем. Приписывание электрону дополнительной степени увеличения кратность вырождения атомных уровней мы увидим, что позволяет устранить расхождение, отмеченное в табл. 13, где указано, что некоторые из наблюдаемых уровней гелия имеют более высокую краткость вырождения, чем это предсказывается теорией. [c.233]
Теперь на.м понятно происхождение аномального эффекта Зеемана. Когда атом и.меет спин, мы рассматриваем его в тер.мннах квантовых чисел S, I я j (для одного электрона) полный угловой момент получается.м комбинанни спинового и орбитального моментов (рис. 14.17). Если магнитные моменты имеют ту же самую связь с угловым моментом независимо от того, являются опи орбит пли спиновыми, то результирующий магнитный момент должен совпадать по направлению с результирующим полным угловым моментом.
Форма, однако.спиновый магнитный момент аномален, результирующий магнитный. момент не сов- [c.502]
Внеш.магн. поле влияет на выход продуктов р-ции, скорость элементарных процессов взаимодействия. парамагнитных частиц (рекомбинации, аннигиляции триплетно-возбужденных молекул, тушения триплетных молекул радикалами и т.п.), интенсивность флуоресценции и хеми-люминесценции, темновую и фотопроводимость мол. кристаллов и орг. полупроводников. Магн. изотопный эффект сопровождается разделением магн. и немагн. изотопов (напр., С и С, о и О). Хим. поляризация электронов и ядер проявляется в спектрах ЭПР и ЯМР продуктов р-ций (радикалов и молекул), при этом положит, поляризация приводит к аномально сильным линиям поглощения, а отрицательная-к линиям эмиссии.В последнем случае создается инверсная населенность зеемановских уровней электронов или ядер (см. Зеемана эффект. Лазер). Когда химически индуцированная отрицат. поляризация порождающей мощности, превосходящая генерацию, происходит самовозбуждение радиочастотного излучения и хим.
система становится мол. квантовым генератором-хим. радиочастотным мазером. Внеш. высокочастотное резонансное поле стимулирует изменение спина и, следовательно, выхода продукта р-ции или интенсивности люминесценции.Это позволяет регистрировать спектры ЭПР короткоживущих пар парамагнитных частиц по изменению выхода электронов, дырок, возбужденных молекул. На этом принципе основан новый метод магн. резонанса-двойной магн. резонанс (ДМР). [c.624]
Другим следом Г-конверсии в результате передачи электронного спинового момента ядерным спинам является поляризация последних. Синхронный переворот электронных и ядерных спинов при обмене энергией аномальной заселенности даерных зеемановских уровней.Это проявляется либо в эмиссии радиоизлучения в случае избыточной заселенности верхних уровней (отрицательная поляризация), либо в дополнительном поглощении радиоизлучения (положительная поляризация). Эффекты химической поляризации ядерно отчетливо проявляются в ЯМР. Они являются причиной радиочастотной генерации, зарегистрированной недавно в реакциях фотопереноса электрона с порфи-рина на хинон (АЛ.
Бучаченко, ВЛ.Бердинский). [c.485]
Методом лазерной масс-спектрометрии исследован изотопный состав элементов в речной раковине Мидии.Обнаружено существенное изменение изотопного состава элементов С, О, S, К, С1, Са в наружном и внутреннем слоях раковины. Рассмотрены основные ядерные характеристики исследованных изотопов – спинного и магнитного момента ядра, энергия связи нейтрона в ядре, вид ядер. Установлена корреляция между энергией связи нейтронов в ядрах изотопов и аномальным фракционированием изотопов легких элементов в биологическом объекте. Качественно наблюдаемые в эксперименте изотопные аномалии объяснены с помощью ядерио-спинового изотопного эффекта.Ил. 4. Табл. 1. Библ, 19 назв. [c.90]
© Лоран Тион / ILL Представьте себе танцовщицу, вращающуюся на кончиках пальцев вокруг ног своей оси, при этом сама танцовщица находится на вращающейся карусели. Напомним, что под понятием спина элементарной частицы подразумевается угловой момент ее орбитального вращения.
Еще в 1988 году ученые предсказали, как следует вести нейтрон, попавшую внутрь вращающейся среды (магнитного поля в частности). В рамках специальной катушки создается вращающееся магнитное поле, в котором происходит вращающееся магнитное поле.При этом, спин нейтрона до входа в магнитное поле и после выхода из него остается неизменным. Инерционные эффекты, воздействующие на нейтроны, проявляются только в области магнитного поля и это можно только при помощи квантовой способности. В недрах исследовательской установки нейтронный луч расщепляется на два независимых луча. Один из этих лучей проходит через область вращающегося магнитного поля, а второй не подвергается никаким воздействиям. После этого оба луча вновь объединяются в один луч.Если рассматривать какой-нибудь отдельный нейтрон, то он, согласно причудам квантовой механики, находится одновременно в двух расщепленных лучах, и в первомче инерциальные эффекты немного изменяют длину волны волновой составляющей этой квантовой частицы. Самая сложная установка, позволяющая довелось столкнуться исследователям, стала конструкция катушки, способная вырабатывать вращающееся магнитное поле.При этом, в самой катушке должно быть маленькое окошко, через которое нейтронный луч проникал в область достигаемого ею магнитного поля. Подходящая геометрия обмоток этой катушки была получена при помощи компьютерного моделирования, система была изготовлена и испытана на источнике нейтронов в Венском технологическом университете. Окончательные же эксперименты и измерения проводились на установке ILL, Гренобль, Франция.
Статья опубликована в журнале npj Quantum Information |
При некотором невезении для танцовщицы в этот момент времени может произойти вращение, которое может привести к этому моменту вращения карусели, и на ее момент будет воздействовать нагрузка, которая может привести к травме.Ученые из Венского технологического университета (TU Wien) обнаружили, что подобное явление может возникнуть и в квантово-механических системах, в котором происходит вращающееся вокруг оси нейтрон пересекал вращающееся магнитное поле.
В этом случае должно произойти объединение спина нейтрона и момента вращения магнитного поля, но до последнего времени никому не удавалось это экспериментально. «Нам же для этого потребовалось несколько лет работы и несколько не очень удачных попыток» – пишут исследователи.
В результате этого после сложения лучей волны или усиливают, или гасят друг друга, создавая картину наподобие интерференционной.
Но обнаруженный нами эффект реально существует и поиски области применения для него теперь только делом времени ».spin-off – Перевод на русский – примеры английский
Предложения: побочные выгодыЭти примеры могут содержать грубые слова на основании вашего поиска.
Эти примеры могут содержать разговорные слова, основанные на вашем поиске.
31 июля 2013 года был выпущен спин-офф серии под названием Другой: Эпизод S / 0.
Спин-офф романа под названием «Другой: Эпизод S» был выпущен 31 июля 2013 года. С июля 2014 г. начал публиковаться дополнительный выпуск серии легких новелл Kono Subarashii Sekai ni Bakuen o !.
Кроме того, организации должны провести необходимые исследования возможностей, связанных с космосом, и соответствующих побочных продуктов , представляющих потенциальную ценность для их стран.
Кроме того, такие органы должны проводить исследования возможностей, соответствующих побочных потенциальных потенциальных возможностей для их стран.Эта концепция будет исследована и использована в нескольких сюжетных линиях, дополнительных комиксах, комиксах и производных проектах.
Концепция будет изучаться и познакомиться во многих сюжетных линиях, побочных комиксах и производных проектов. Комитет отметил, что побочная технология может быть использована для миротворческой и гуманитарной деятельности.
Примеры такого взаимодействия включают дополнительных продуктов, которые продавались под различными торговыми наименованиями.
Примерами такого взаимодействия являются побочные продукты , которые осуществляются под фирменными названиями.Их сотрудничество включало дополнительных продуктов , которые продавались под различными торговыми названиями и включали оптические и оптоэлектронные продукты для интерпретации данных дистанционного зондирования.
Результаты их сотрудничества, в частности, таких побочных изделий, которые осуществляются под различными фирменными названиями, включают оптические и электронно-оптические устройства для расшифровки данных дистанционного зондирования.
4 апреля 2016 года Кунс выпустил спин-офф под названием HunieCam Studio.
4 апреля 2016 года Кунс выпустил спин-офф HuniePop под названием HunieCam Studio.Sunless Sea – это roguelike , спин-офф Fallen London, действие которого происходит в том же месте и примерно в тот же период времени.
Sunless Sea представляет собой выполненный в духе roguelike спин-офф для браузерной ролевой игры Fallen London от тех же разработчиков – её действие происходит в той же вселенной и в то же время.Король Дидиди также появляется в нескольких играх серии , дополнительных .
Король ДиДиДи появляется также в спин-офф играх серии. Сидни сказал, что если .
.. если я сыграю хорошего злодея, я получу свой собственный спин-офф .
Rayquaza появляется во многих дополнительных играх серии .
Рейкваза появлялся во множестве спин-офф играх.15 октября 2007 года был выпущен спин-офф веб-сериала с участием медсестер из драмы.
Спин-офф серии с участием медсестёр из дорамы были выпущены 15 октября 2007 года.Когда-либо. Но это намного больше, чем просто спин-офф .
Но это гораздо больше, чем просто спин-офф . Комитет отметил, что дополнительных технологий привели к разработке или совершенствованию многих продуктов и процессов.
Комитет отметил преимущества дополнительных технологий в области навигации и позиционирования.
Комитет отметил выгоды применения побочных технологий в области навигации и определения местоположения.Он также появился в спин-оффе сериала «Доктор Кто» «Приключения Сары Джейн».
Он также появился в спин-оффе «Доктора Кто » , «Приключения Сары Джейн».Те программы, которые считаются подходящими для выделения , могут быть приняты правительствами в качестве передовой практики.
Я просто говорю, что вы получаете дополнительный доход .
После выделения материнская компания будет управлять газопроводами и хранилищами и будет приватизирована в следующем году.
После разделения головная компания будет контролировать газопроводы и хранилище в следующем году будет приватизирована.почему компьютеры будут работать быстрее. Физик Глеб Демин об искусственном интеллекте, лечении и перспективах спинтроники – Пресс-центр – Фонд инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) Группы РОСНАНО
В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее »совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях о материалах.
Одна из целей эпохи информационных технологий – разработка искусственного интеллекта на основе вычислительных устройств. Подобная нейроморфная система решает задачи, с каждым день справляется мозг человека.
Для разработки искусственного интеллекта нужна особенная элементная база и архитектура компьютеров, способная имитировать работу биологической нейронной сети.
Современные суперкомпьютеры, работающие на стандартной мощности фон Неймана, обладают недостаточной производительностью.Они не могут выполнять трудоемкие расчеты и обрабатывать большие объемы данных даже с использованием алгоритмов нейронных сетей. Также компьютерам сложно справиться с такими когнитивными операциями, как распознавание образов, текста, речи, классификация данных и комплексное прогнозирование.
Для сравнения: мозг человека, который обрабатывает огромное количество информации с размером в несколько десятков герц, потребляет в среднем 20 ватт мощности.Современным суперкомпьютерам для этой же цели требуется до 500 мегаватт при частотном процессоре в несколько гигагерц. Для решения этой проблемы нужно использовать новые физико-технологические принципы организации памяти и вычислений. Они позволяют увеличить количество вычислительных устройств и ускорить обработку данных.
Одним из наиболее перспективных направлений наноэлектроники, отвечающих вызовам времени, является спинтроника (спиновая электроника). Электроны переносят не только заряд, но и спин (от англ.spin – «вращение») – собственный момент импульса электрона. Спин электрона, подобно миниатюрному магниту, создает вокруг себя локальное магнитное поле. В соответствии с этим ориентацию электронного спина можно изменить в результате воздействия внешнего магнитного поля или поляризованного по спину электрического тока.
В спинтронных устройствах процессы хранения информации осуществляются по физическим принципам, которые отличаются традиционной электроникой.Согласно принципу Паули, спин-электрона на одной и той же орбитали может находиться в одном из двух состояний: со спином «вверх» либо со спином «вниз». Спин «вверх» – состояние частицы, в которой происходит ориентация спина сонаправлена с осью квантования магнитного материала. Спин «вниз» – состояние частицы, в котором спиновый вектор направлен противоположно оси.
Таким образом, электрон может выступать как природный передатчик двоичной информации. Магнитное поле, или поток свободных электронов, переносящий собственный магнитный момент, меняет поляризацию спинов электронов на внутренних оболочках элементов материала.Так происходит запись отдельных битов информации в магнитном состоянии структуры (1 – большинство электронов со спином «вверх», 0 – большинство электронов со спином «вниз»).
Такому типу записи не нужно внешнее питание, поэтому привлекательна для развития твердотельной памяти нового поколения. С прогрессом в области спинтроники появляются новые типы запоминающих устройств: энергонезависимая оперативная память (STT-MRAM), нейроморфные системы и спиновые транзисторы.Они энергонезависимы и работают быстрее полупроводниковых аналогов. Возможности масштабирования спинтронных структур приборов на их основе может радикально уменьшиться. Так в запоминающий чип размером менее сантиметра можно использовать объем с библиотечный архив.
Исследования спинтроники
Столетие назад физики ничего не знали о спине электрона и его конструктор данных, а сегодня компьютерную технику нельзя представить без технологии спинтронных устройств.
Физик Джозеф Джон Томсон открыл электрон в 1897 году – элементарную часть с отрицательным электрическим зарядом. Через 12 лет физик Роберт Милликен со своим помощником Харви Флетчером провел опыт по изменению заряда электрона. Исследователи доказали дискретность электрического заряда и существование в твердом теле заряженных частиц (электронов), размер которых намного меньше размера атома. В 1922 году физики Оттотерн Штерн и Вальтер Герлах появятся, что у электрона есть магнитный момент.Позже был принцип Паули: электрон имеет направление вращения вокруг оси либо ½, либо-1/2. Ученые пришли к выводу, что спин – второе квантовое свойство электрона – можно использовать для передачи данных. Это открыло путь к формированию фундаментальных основ спинтроники.
Первые масштабные исследования спинтроники были проведены в 1970–1980-е годы.
Они были посвящены изучению спин-зависимого транспорта носителей заряда в твердых телах.Ученые изучали особенности инжекции спин-поляризованных электронов из немагнитный металл, рассматривали режимы генерации спинового тока.
Выяснилось, что электроны передаваемый вращающий момент, воздействующий на магнитное состояние среды, в которую поступает ток. В это же время в России научный коллектив из ФТИ им. А. Ф. Иоффе под руководством академика Бориса Захарчени изучал оптическую ориентацию электронных спинов. Их исследования стали для развития альтернативных методов управления поведением спиновой системы твердыми немагнитными полями.
В 1981 году группа японских ученых под руководством профессора Терунобу Миязаки изучала эффект спин-зависимого туннелирования электронов в магнитных туннельных гетероструктурах. Это процесс, когда частица с заданной ориентацией спина преодолевает потенциальный барьер даже в том случае, когда ее полная энергия не превышает высоту барьера. Была создана зависимость сопротивления магнитной гетероструктуры, состоящая из двух ферромагнетиков, разделенных тонкой туннельной прослойкой, от взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоев.
Объяснение данного явления было связано со спин-зависимым носителем заряда при прохождении через туннельный барьер. Это доказывает спин-зависимый характер туннелирования электронов в подобного рода структурах.
Важную роль в становлении спинтроники роль спинового эффекта Холла. Он был предсказан советскими учеными Михаилом Дьяконовым и Владимиром Перелем в 1971 году. Эффектом Холла называют возникновение спинового тока в немагнитном проводнике из-за неравновесного накопления электронов с противоположно направленной ориентацией спина на его границах.Ученые электрическиенили, что при протекании электрического тока по проводнику, аналогично обычному эффекту Холла, наблюдаемому при постоянном магнитном поле, происходит расщепление потока общего электронов на две части. Электроны со спином «вверх» отклоняются к левой границе, а электроны со спином «вниз» – к правой границе проводника, и наоборот – это определяется полярностью тока. Это похоже на развилку двух дорог, на которой происходит разделение транспортного потока автомобилей.
Они противоположно друг другу и перпендикулярны первоначальному направлению маршрута.При этом количество электронов в одном потоке (например, со спином «вверх») больше, чем в другом (со спином «вниз»). Это приводит к генерации ненулевого спинового тока. Такое разделение связано со спин-зависимым рассеянием носителей заряда в проводящей структуре, в результате которого возникает перпендикулярный спиновый поток. Таким образом, спиновый эффект Холла преобразует электрический ток в спиновый, необходимый для эффективного управления магнитным состоянием спинтронных устройств.
Эксперименты с измерением магнетосопротивления магнитных гетероструктур – следующий этап развития спинтроники. В 1975 году группа ученых под руководством французского профессора М. Джулльера обнаружила, что при переключении магнитной конфигурации трехслойной туннельной структуры Fe-Ge-Co (с параллельного упорядочения намагниченностей ферромагнитных слоев на антипараллельное) происходит изменение ее сопротивления.
При малых температурах (порядка 4,2 К) незначительны – 10–11%.В следующих экспериментах в качестве материала прослойки между ферромагнитными пленками исследователи использовали не дирик, а немагнитный металл. Из этого магнетосопротивление-возникло до 30–50%. Эффект гигантского магнетосопротивления в многослойных магнитных структурах, состоящих из чередующихся магнитных и немагнитных слоев, открывающихся в конце 1980-х годов. Это открытие было сделано одновременно в двух независимых научных группах – французской (под руководством профессора Альберта Ферта) и немецкой (во главе с Петером Грюнбергом).Первоначально направление намагниченности трехслойной структуры меня внешний магнитным полем. Например, если в составе чувствительной головки в запоминающем устройстве есть трехслойная магнитная структура, то при воздействии порогового поля на такую магнитную систему направление намагниченности одного из слоев меняется. Это свойство позволяет чувствительной функцией считывать с магнитного жесткого диска пространство, заполненное информацией и головами, записаться она или нет.
За открытие эффекта гигантского магнетосопротивления ученым Грюнбергу и Ферту в 2007 году присудили Нобелевскую премию по физике.Это привело к прорыву в области технологической индустрии устройств на базе спинтронных эффектов, которое произошло в конце 1980-х – начале 2000-х годов. Этот период стал отправной точкой в развитии рынка запоминающих устройств. Таким образом, одним способом с пространством хранения информации на жестких дисках появился эффективный механизм ее чтения – стали высокочувствительные головки на магниторезистивных структурах.
В 2019 году возможности спинтроники по-прежнему привлекают специалистов.Ученые из Дальневосточного федерального университета разработали магнитную нанопленку состава Fe3O4, позволяющую генерировать практически 100% спиновый ток (электрический поток электронов с превалирующим направлением спина). Эту особенность можно использовать для записи информации в спинтронных устройствах. В это же время специалисты Массачусетского университета (MIT, США) научились модулировать спиновые волны.
Это важный шаг к созданию быстродействующих компьютерных схем. Их элементы будут сообщаться между собой мгновенно благодаря спин-волновой передаче.
Энергонезависимая магнитная память
За последнее десятилетие прогресс в инженерии магнитных туннельных переходов (МТП) на кристаллической прослойке из MgO позволил поднять туннельного магнетосопротивления до 150–200%. Благодаря этому в 2003 году Motorola выпустила первые коммерчески доступные микросхемы магниторезистивной памяти произвольного доступа (MRAM – магнитная оперативная память). Структуры МТП в такой памяти играли роль запоминающей среды для отдельных битов информации, а внешнее магнитное поле переключало их состояние.В 2010 году усилиями компании Everspin объем MRAM достиг емкости в 16 Мб. Масштабирование такой памяти ниже уровня 90 нм оказалось проблематичным: уменьшение размера шин не позволяет генерировать поля, достаточную для переключения МТП, что затормозило развитие направления.
В связи с этим в 2012 году появились первые образцы второго поколения магниторезистивной памяти, на эффекте переноса спина – STT-MRAM (крутящий момент передачи вращения) формата DDR3 емкостью 64 Мб.MRAM позволяет избавиться от самого низкого общего энергопотребления при такой записи состояния шин.
Энергонезависимость качественно отличает спинтронные устройства от полупроводниковых устройств – оперативной памяти (DRAM) и кеша (SRAM). Главный недостаток динамической оперативной памяти DRAM – энергозависимость.При случайном сбое электричества вся информация в открытых документах и программах теряется, что порой требует много времени и сил для ее восстановления. Но если использовать технологию спинтроники – модуль на переносе спина STT-MRAM, – то записанная в магниторезистивных ячейках информация сохранится в магнитном состоянии запоминающего элемента. После включения компьютера вся информация останется на прежнем месте и может быть считана из оперативной памяти в долговременную.
Спиновая память выдерживает неограниченное количество переключений.В настоящий момент (по состоянию на июнь 2019 года) фаблесс-компания Everspin уже приступила к производству модулей 28-нмSTT-MRAM емкостью 1 Гб с интерфейсом ST-DDR4. Компания Samsung также ведет разработку в этом направлении (в марте 2019 года начались поставки STT-MRAM емкостью 256, 512 Мбит). В объем спиновой памяти увеличится – неизвестно, до какой именно величины, это зависит от скорости развития технологий. Также уже подтверждена масштабируемость STT-MRAM до 10 нм. Это значит, что на миниатюрных чипах можно link в десятки тысяч раз больше информации, чем раньше.
Нейросети и искусственный интеллект
Современные нейроморфные чипы на полупроводниковых технологиях. Однако микрочипы не воспроизведут элементарных операций мозга человека: недостаточно мощности. В мозге человека десятки миллиардов нейронов и триллионов синапсов, и для того, чтобы повторить их работу, уменьшить вычислительные единицы до критического размера.
Спинтроника открывает путь к реализации такой масштабной задачи.
Недостаток традиционной архитектуры фон Неймана на базе полупроводниковой технологии – долгий обмен информацией между процессором и памятью по шине передачи данных, что связано с их размещением в отдельных модулях на чипе, физически удаленных друг от друга.Программисты столкнулись с этим ограничением во время создания алгоритма работы нейронных сетей. Они в современном компьютерном режиме, основанном на энергетике фон Неймана. В свою очередь, в спинтронных нейроморфных компонентах другой организации находится процессор и память в одном блоке. Их функциональность одно и то же спинтронное устройство – искусственный нейрон на основе магнитных устройств, ускоряет выполнение вычислений.В то же время передачи данных между нейронами можно организовать мемристорные спинтронных структур, демонстрирующих мультирезистивные состояния.
Таким образом, масштабирование спинтронных элементов до 10 нм и ниже позволит создать нейроморфную энергиюуру, имитирующую сеть биологическую нейронную.
Она будет обучаться, распознавать изображения, писать тексты и воспроизводить речь.
Информационная безопасность
Спинтроника также развивается в сфере информационной безопасности.Компания Crocus Technology запатентовала технологию MLU (магнитная логическая ячейка – «магнитная логическая ячейка») производства ключей и чипов для защиты банковских карт. Новшество состоит в кодировке информации с использованием устройств на основе системы магниторезистивных туннельных структур, что позволяет создавать уникальные последовательности чисел для конкретного пользователя при прохождении идентификации и получения доступа к карте. Устройства применяют STT-MRAM с тепловой активацией переключения.Сейчас Crocus Technology работает над созданием прототипа ключей и чипов.
Машинное зрение
Одно из перспективных научных исследований в области искусственного интеллекта – машинное зрение. Прогресс в этом направлении позволяет быстрый анализ и обработка визуальной информации для решения прикладных в робототехнике, системы системы реальности, систематизация и сортировка рукописных данных, анализ медицинских изображений, распознавании текста.
Спинтроника полезна для такой технологии: она дает возможность создавать магнитные гетероструктуры, играющие роль спиновых диодов и выпрямляющие переменный ток, генерируемый при воздействии на них электромагнитного излучения. Это позволит повысить эффективность работы систем беспилотного управления автомобилями. Сегодня для данной задачи используются системы на основе LIDAR-технологий (обнаружение световой идентификации и определение дальности). Они работают по оптическому принципу, в связи с чем приой видимости и неблагоприятных погодных условий проблема распознавания препятствий.Основная причина этого состоит в том, что во время тумана и сильных осадков детектирование объектов.
Преимущество спинтронных устройств и магнитно-волновых детекторов – их стабильная работа, вне зависимости от погодных условий. Спинтронная технология предлагает оригинальное решение для беспилотных автомобилей, которое основано на детектировании отраженных от электромагнитных волн с помощью системы спиновых диодов.
Они выпрямляют входящий микроволновый сигнал.В 2018 году наш коллективный коллектив из Московского института физико-технического института (МФФ) и национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ) разработал первые тестовые образцы спиновых диодов применительно к системам компьютерного зрения для итальянской компании IFEVS, который производит электромобили.
Биотехнологии
Одна из главных функций спинтроники – сверхчувствительное детектирование магнитного поля, вплоть до десятков пикотесла, – используется в медицине.Исследования того, как можно применить современное направление электроники в биотехнологии, начались в 2000-х годах. Медицинские спинтронные датчики (магниторезистивные сенсоры) обладают большей точностью и точностью измерения, чем анизотропные магниторезистивные датчики и магнитные датчики Холла, используются в слуховых аппаратах, кардио- и нейростимуляторах.
Спинтроника поможет в лечении раковых опухолей. Дело в том, что в процессе химиотерапии медикаменты не только на раковые ткани, но и на другие органы.Ученые выполняют выпустить таблетку в железной оболочке, которая будет действовать на опухоль. С помощью магнитного сенсора и магнитного поля можно управлять движением таблетки и следить за ее положением, когда она будет находиться внутри организма человека. Спинтроника воздействует только на пораженный раком орган, не задевая остальные.
Современные исследования
В устройстве спинтроники может собирать тепловую энергию из различных источников (человеческого тела, инфракрасного излучения, беспроводных локальных сетей, например Wi-Fi) и конвертировать ее в электрический сигнал.Энергии будет достаточно, скажем, для подзарядки интернета вещей.
Также исследователи исследуют эффекты спинтроники на структуре с нарушенной симметричной инверсией, которые обладают спин-орбитальным взаимодействием с толщиной в нескольких атомарных слоях. В структурех действует спин-орбитальный эффект, в результате чего при наличии магнитного поля в них возникают локализованные магнитные вихри (скирмионы) размером от нескольких нанометров до одного микрона. Направление закрученности спиновой скирмионов можно переключать под током, меняя их магнитное состояние.На основе таких структур можно создать новый тип памяти, а также сформировать искусственные нейроны (они хранят и записывают данные) и синапсы (передают данные) в качестве элементов нейронной сети. Однако есть: до сих пор неясны механизмы передвижения и стабильная фиксация скирмионов в спин-орбитальных гетероструктурах. Это является предметом теоретических исследований, посвящен ряду последних научных работ.
В России исследования в области спинтроники и наномагнетизма ведутся в Институте радиотехники и электроники имени В.
А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН), Московский физико-технический институт (МФТИ), Центре коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» (подразделение НИУ «МИЭТ») в Зеленограде. В ИРЭ РАН изучают механизмы передачи спиновых волн для мгновенного сообщения между элементами в составе быстродействующих электронных схем. Сейчас расстояние, посредством которого посредством спиновых волн получают данные, достигается одного микрона – как длина человеческого волоса.Ученые добиваются того, чтобы длина, на которой затухает спиновая волна, увеличилась. Это позволит организовывать эффективное взаимодействие между устройствами на чипе. В Центре коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» занимаются разработкой элементной базы нейроморфных спинтронных систем, исследованиями в области спиновой калоритроники и сенсорики, активно сотрудничают с широким спектромальными отечественными и зарубежными компаниями по направлению разработки спинтронных устройств.
Опубликовано: 14 января 2020 г.
Автор: Глеб Демин, к.ф.-м.н., начальник научно-исследовательской лаборатории «Исследование изделий нано- и микросистемной техники» МИЭТ, член сообщества IEEE
Эффекты Холла науки, измерения электрохимических потенциалов и транспортных средств в модели НРФГ
Физико-математический Научный журнал «ScienceRise» №10 / 2 (15) 2015
измеренное сопротивление холла.Журнал исследований национального стандарта Bu-
, 92 (5), 303–310. DOI: 10.6028 / jres.092.030
5. Цуй, Д. К., Стормер, Х. Л., Госсард, А. С. (1982).
Двумерный магнитотранспорт в экстремальных квантах –
предел вращения. Physical Review Letters, 48 (22), 1559–1562.
doi: 10.1103 / Physrevlett.48.1559
6. Степановский, Ю. П. (1998). Дробный квантовый jef-
fekt Holla. Электромагнитные явления, 1 (3), 427–442.
7. Нагаоса, Н., Синова, Дж., Онода, С., Макдональд, А.
Х.,
Онг, Н. П. (2010). Аномальный эффект Холла. Обзоры современной физики
, 82 (2), 1539–1592. doi: 10.1103 / revmodphys.82.1539
8. Дьяконов М.И., Перель В.И. (1971). Возможность ориентирования электронных спинов током. Сов. Phys. Письма в ЖЭТФ, 13, 467.
9. Дьяконов М.И., Перель В.И. (1971). Индуцированная током ориентация спинов
электронов в полупроводниках.Письмо по физике –
терс А, 35 (6), 459–460. DOI: 10.1016 / 0375-9601 (71) -4
10. Кейн, К. Л., Меле, Э. Дж. (2005). Квантовый спиновый эффект Холла
в графене. Письма физического обзора, 95 (22).
doi: 10.1103 / Physrevlett.95.226801
11. Сринивасан, С., Саркар, А., Бехин-Эйн, Б., Датта, С.
(2011). All-Spin Logic Device со встроенным невзаимодействием
г. IEEE Transactions on Magnetics, 47 (10), 4026–4032.
doi: 10.1109 / tmag.2011.2159106
12. Кейн, К., Мур, Дж. (2011). Топологические изоляторы.
Physics World, 24 (02), 32–36.
DOI: 10.1088 / 2058-7058 / 24/02/36
13. Датта, С. (2012). Уроки наноэлектроники:
Новый взгляд на транспорт. Хакенсак, Нью-Джерси:
World Scientific Publishing Company, 492. doi: 10.1142 / 8029
14. Krugljak, Ju. А. (2015). Наноэлектроника «снизу –
вверх»: генерация тока, обобщенный закон Ома, упругие ре-
систоры, режимы проводимости, термоэлектричество.ScienceRise,
7/2 (12), 76–100. DOI: 10.15587 / 2313-8416.2015.45700
15. Krugljak Ju. О., Кругляк, Н. Ю., Стриха, М. В.
(2012). Уроки наноэлектроники: выныкнення струму, форму-
лювання закону Ома и моды провидности в концепции «зны-
зу – вгору». Датчик. электр. микросист. техн., 9 (4), 5–29. Доступно –
ble по адресу: http://dspace.onu.edu.ua:8080/handle/123456789/3643
16. Ашкрофт Н., Мермин Н.(1979). Физика твердого те-
ля. Vol. 1-2. Москва: Мир, 458; 486.
17. Рашба Э. И. (2003). Спиновые токи в термодинамическом равновесии
: проблема распознавания транспортных
токов.
Physical Review B, 68 (24). DOI: 10.1103 /
Physrevb.68.241315
18. Буттикер М. (1988). Симметрия электропроводности –
. IBM Journal of Research and Development, 32 (3), 317–
334. DOI: 10.1147 / 323.0317
19. Krugljak, Ju. А. (2015). Наноэлектроника «снизу –
вверх»: метод неравновесных функций Грина, транспортные задачи модели
и квантовая интерференция. ScienceRise, 9/2
(14), 41–72. DOI: 10.15587 / 2313-8416.2015.48827
20. Krugljak, Ju. А. (2015). Наноэлектроника «снизу –
вверх»: метод неравновесных функций Грина, транспортные задачи модели
и квантовая интерференция. ScienceRise, 2/2
(7), 93–106.DOI: 10.15587 / 2313-8416.2015.36443
21. Krugljak, Ju. А. (2015). «Снизу – вверх» лектроника nanoe-
: элементы спинтроники и магнетроники. ScienceR-
ise, 8/2 (13), 51–68. DOI: 10.15587 / 2313-8416.2015.47792
22. Sears, F. W., Salinger, G. L. (1975). Thermo-
динамика, кинетическая теория и статистическая термодинамика.
Бостон: Аддисон-Уэсли.
23. Ландауэр Р. (1957). Пространственное изменение токов
и полей из-за локализованных рассеивателей в металлической проводимости.
Журнал исследований и разработок IBM, 1 (3), 223–231.
DOI: 10.1147 / rd.13.0223
24. Ландауэр Р. (1970). Электрическое сопротивление
неупорядоченных одномерных решеток. Философский журнал,
21 (172), 863–867. DOI: 10.1080 / 14786437008238472
25. Ландауэр Р. (1988). Пространственное изменение токов
и полей из-за локализованных рассеивателей в металлической проводимости.
Журнал исследований и разработок IBM, 32 (3), 306–316.
DOI: 10.1147 / rd.323.0306
26. Ландауэр Р. (1996). Пространственное изменение токов
и полей из-за локализованных рассеивателей в металлической проводимости
(и комментарий). Journal of Mathematical Physics, 37 (10),
5259. DOI: 10.1063 / 1.531590
27. Buttiker, M. (1986). Четырехконтактная фазово-когерентная проводимость
.
Physical Review Letters, 57 (14), 1761–1764.
DOI: 10.1103 / Physrevlett.57.1761
28. Sharvin, Ju. В. (1965). Об одном возможном мне-
тоде исследования поверхности Fermi. ЖЭТФ ,. 48 (3), 984–985.
29. Шарвин Ю. В., Богатина Н. И. (1969). Исследование
фокусировки электронных пучков в металле продольным магнитным полем
. Сов. Phys. ЖЭТФ, 29 (3), 419–423.
30. Imry, Y .; Гринштейн Г., Мазенко Г. (Ред.) (1986).
Направления в физике конденсированного состояния. Сингапур: World
Scientific, 101.
31. Имри Ю., Ландауэр Р. (1999). Проводимость рассматривала
как передачу. Обзоры современной физики, 71 (2), 306–312.
doi: 10.1103 / revmodphys.71.s306
32. Лесовик Г. Б., Садовский И. А. (2011). Описание
квантового электронного транспорта с помощью мат-
ric рассеяние. УФН., 181 (10), 1041–1096. DOI: 10.3367 /
ufnr.0181.201110b.1041
33. Stone, A. D., Szafer, A.
(1988).Что измеряется
при измерении сопротивления? – Пересмотр формулы Ландауэра –
итед. IBM Journal of Research and Development, 32 (3), 384–
413. doi: 10.1147 / rd.323.0384
34. Голизаде-Моджарад, Р., Зайнуддин, ANM,
Климек, Г., Датта, С. . (2008). Атомистическая неравновесность.
Моделирование функции Грина графеновых нанолент в режиме квантового холла
. Журнал вычислительной электроники,
7 (3), 407–410.DOI: 10.1007 / s10825-008-0190-x
35. Haug, R.J. (1993). Перенос пограничных состояний и его последствия в сильных магнитных полях. Полуконд.
Наука и технологии полупроводников, 8 (2), 131–153.
DOI: 10.1088 / 0268-1242 / 8/2/001
36. Кейдж, М. Э. (1997). Распределения тока в квантовых приборах на эффекте Холла. Журнал исследований Национального института стандартов и технологий
, 102 (6), 677–691.
doi: 10.6028 / jres.102.045
37. Martines-Duart, Dzh. М., Мартин-Пальма, Р.
Дж.,
Агулло-Руэда, Ф. (2007). Нанотехнологии для микро- и оптоел-
электроники. Москва: Техносфера, 368.
38. Бергер К., Сонг, З., Ли, X., Ву, X., Браун, Н.,
Naud, C. et. al (2006). Электронное ограничение и когерентность
в узорчатом эпитаксиальном графене. Science, 312 (5777), 1191–
1196. DOI: 10.1126 / science.1125925
39. Брей, Л., Фертиг, Х.А. (2006). Краевые состояния и квантованный эффект Холла
в графене. Physical Review B, 73 (19).
doi: 10.1103 / Physrevb.73.195408
Спин | ДжоДжо Вики | Фэндом
Спин
Переведённое название
Вращение
Первое появление (манга)
Первое появление (аниме)
Не дебютировал
Источник силы
| “ | Вращай ногти в золотом сечении! … ты тогда сможешь использовать силу бесконечности . | ” |
—Джайро Цеппели к Джонни Джостару, SBR: Глава 43 | ||
Спин (転 転 Kaiten, в буквальном смысле «вращение») – это сверхъестественная техника, которой владеют Джайро Цеппели и Джонни Джостар. Появляется в Невероятные приключения ДжоДжо: Гонка «Стальной Шар» .
Это состояние идеального или почти идеального вращения, которое производит уникальную форму энергии, которую можно применять для множества целей.
Спин можно считать аналогом Хамона из оригинальной Вселенной.
Описание
Спин – это состояние вращения, доведённого до совершенства благодаря золотому прямоугольнику W , а точнее, благодаря золотой, математически бесконечной спирали и в особенностях, которая называется вездесущей в окружающей природе и тем более в произведениях искусства. [1]
В отличие от обычного вращения, вращение Спина является постоянным и производит намного больше энергии [1] , чем требуется для создания.
Эта энергия вращения передается соседним объектам в форме вибраций [2] местное сообщество для широкого круга целей.
Спин был изобретён в Неаполитанском королевстве, ещё во времена Средневековья. Там его интенсивно использовать либо для медицины, либо для сражений. Все персонажи, которые обладают Спином, либо неаполитанцы, либо обучены неаполитанцами.
Использование Спина
Благодаря своему чудесному своемуству, Спин использовался в качестве техники избранными, по крайней мере, со времен средневековья [3] , из которого были получены некоторые специальные навыки.
Пользователи Спина обычно пытается вращать объекты, чтобы как можно лучше следовать золотому вращению, создавая почти бесконечное вращение, которое может создать бесконечное количество энергии вращения, чем бросать объекты в цель. Для этого они прикладывают небольшую силу, заставляя объект вращаться почти идеально, давая ему импульс энергии, чтобы начать вращение, а затем вращение увековечить себя.
Один совет, данный неофитам, чтобы создать идеальное вращение, а затем пытаться подражать ему.
Золотая Спираль
Чтобы усилить вращение, приблизиться к золотому прямоугольнику, прямоугольнику с пропорцией, равной золотому сечению (приблизительно 16: 9), которое при рекурсивном делении на квадрат и другой золотой прямоугольник прослеживает путь золотой спирали; Самоподобная и, следовательно, бесконечная спираль. Золотой прямоугольник использует в шкалы, позволяет создать идеальное вращение и, следовательно, бесконечное количество.
Спин относительно легко выучить на базовом уровне, поскольку новичку Джонни Джостару удалось создать убедительный Спин с пробкой в течение дня, когда он узнает о существовании силы; однако, его очень трудно освоить. Спин должен быть наполнен средой. Таким образом, пользователь Вращения должен уметь умело целиться и бросать объекты, чтобы надеяться на результат. Нужно также очень хорошо знать человеческое тело, чтобы в полной мере использовать воздействие Спина на людей.
Например, семья Цеппели обучена в качестве хирургов и для использования закрутки преступников в камере смертников, в результате чего прокрутка может привести только к простому усилению разрушительной энергии. Другие, такие как члены королевской гвардии Неаполя, используют только узкоспециализированное вращение на теле человека. [4]
Приборы для использования
- Смотрите также: Стальной шар, Шар Разрушения и бивень
Вращение может быть к различным объектам.Примеры включают пробки, воду [1] , пули [5] или, как правило, любой объект, вокруг которого имеется ось, вокруг которого объект может хорошо вращаться. Бивень – это Стенд, связанный со Спином и пропитыванием последнего на ногтях пользователя.
Джайро применяет Спин на воде
Эксперты во Вращение, такие как Джайро Цеппели, предпочитают специальные стальные шарики: стальные сферы, характерные для бейсбола или були, которые он называет и представляет как нечто идеальное для применения и поддержания Вращения.
В то время как Семья Цеппели использует рифленую версию для максимальной верности Золотому Прямоугольнику, другие, такие как Векапипо, используют специальные сферы, которые встроены меньшие спутники, чтобы распространить свою зону атаки. Объекты, которые не имеют идеальной сферической формы, не производят идеального вращения и таким образом, уступают по сравнению со стальными шариками.
Стенд Джонни, открытый с наставничеством Джайро Цеппели, позволяет Джонни крутить ногти на конечных точках, чтобы они действовали как пули.В отличие от стальных шаров, ногти обладают более метафизическими свойствами.
Золотой Спин
Золотой Спин представляет собой наиболее верную эмуляцию золотую спирали, какую только возможно.
Джайро формирует Золотой Спин
Разработанные в средние века для обхода щита и доспехов конных рыцарей, были изобретены стремена, чтобы использовать силу бегущей лошади. Всадник должен силы лошади бежать с Золотого. Прямоугольника, что означает, что он должен скакать с самой естественной скоростью.
В этом идеальном темпе лошадь самопроизвольно создает энергию вращения; затем его можно использовать через стремёна и передать через в руку и запястья, чтобы еще больше усилить бросок стального шара. Таким образом создается действительно совершенное вращение, излучающее бесконечное количество энергии. Золотой Спин связан со способностью способной гравитацию, единственной силой, способной способной перемещаться между измерениями.
Разблокировка Золотого вращения дает мастерство над бесконечным количеством энергии, поэтому возможно несколько чудесных подвигов.Прежде всего, его владелец самопроизвольно демонстрирует Стенд или демонстрирует его, если он уже есть. Джайро демонстрирует Стенд Ball Breaker, в то время как Джонни демонстрирует окончательную эволюцию Tusk: Tusk ACT 4.
Ball Breaker Джайро Цеппели и Tusk ACT 4 Джонни, кажется, превосходит бесконечную силу Золотого вращения, которая превосходит многие силы. Оба в степени способны обойти межпространственные барьеры D4C и Ticket to Ride, которые скрывают и защищают Фанни Валентайна и его настойчивый D4C, показано, что Tusk ACT 4 в некоторой степени непроницаем, на способность THE WORLD останавливать время само.
Хотя он и всемогущий, Золотой Спин невероятно сложен в использовании. Нужно не только здоровую лошадь, но также иметь опыт, чтобы чувствовать, когда она бежит в естественном темпе, в дополнение к необходимости быть опытным в Спине и обладать снарядом, который можно наполнить Золотым Спином. Несовершенная брошенная сфера любые помехи во время установки лошади, такие как столкновение с препятствием или атакованная лошадь полностью прервут процесс. Во время событий Гонки «Стальной Шар» смогли показать Золотой Спин.
Эффекты от использования
Объекты, наполненные вращением, оказывают различное влияние на людей, животных или среду. Тем не менее, энергия Спина рассеивается в окружающей среде, что требует прямого контакта, либо по крайней мере, источника энергии вращения.
Вращение используется для широкого разрушительных, оборонительных, медицинских и утилитарных целей в зависимости от имеющегося инструмента.
- Спин естественным образом увеличивает разрушительную силу снаряда и поэтому может быть брошен, чтобы просто нанести урон.
Стальной шар, пропитанный Спином, может уничтожить большие куски камней. Спутники Векапипо также приводятся в движении такой же силой, что и пули, способные оторвать руку Джайро.
- Спин может воздействовать на тело, укрепляя его и позволяя ему воспользоваться энергией куда-то ещё, использовать сверхъестественную, но временную прочность.Это позволяет Джайро стать пуленепробиваемым и выдержать взрыв одной из бомб Boku no Rhythm wo Kiitekure и нанести вред только его ноге или Векапипо, чтобы перенаправить энергию стального шара.
- Спин частично используется, чтобы взять под контроль снаряды, он которым пропитан. Благодаря этому явлению пользователи «Спина» контролируют реакцию своих снарядов и могут лучше прицеливаться, а также возвращают снаряды в свои руки, чтобы не тратить их впустую.
Объект, пропитанный Спином, может быть использован для усиления Спина других снарядов, например, для увеличения дальности действия Стальных Шаров.
- Вращающиеся большие скорости вращения и, следовательно, создают большое движение. Таким образом, они могут поддерживать объекты на месте, например, мыс, функционировать как парус или распутывать объекты, например, кору дерева. В частности, показаны стальные шарики самодельные канаты и даже врезаются в металл для создания пульса.
Таким образом, они могут поддерживать объекты на месте, например, мыс, функционировать как парус или распутывать объекты, например, кору дерева. В частности, показаны стальные шарики самодельные канаты и даже врезаются в металл для создания пульса.Семейство Цеппели
В семействе Цеппели долгое время считалось, что Спин – это человеческое анатомическое корректирующее и медицинское лечение.Врачи, известные во всей Италии, а также королевские палачи Неаполитанского короля. Они используют универсальную форму «Спина со стальными элементами», брошенными в мишени, что дает им широкий спектр применения, хотя их карьера ориентирует их на воздействие на шарики человека.
- Первое и наиболее показательное прямое использование Вращения – это запуск мышечных рефлексов. Например, хромые ноги Джонни внезапно встали, когда он коснулся вращающегося стального шара. Это позволяет, среди прочего, управлять движением до некоторой степени, например, обездвиживая вора и заставляя этого вора застрелиться, а также вызывая сильный удар лошади.
- Вибрации стальных шариков May для удаленной визуализации и воздействия на объекты, например, при обнаружении скрытых препятствий или более мелких, чтобыки от бутылок лопнули.
- Чтобы принести чистую, верную и безболезненную смерть, королевские палачи Неаполя использовать стальной шар, чтобы обездвижить тех, кто должен быть казнен, и быстро обезглавить их. В этом конкретном использовании стальной шарик наносится на затылок.
- Спин может даже сплющить конечности и тело, так что цель может скрутиться в узкие пространства.
- Однажды Джайро применяет Спин к себе, чтобы выжать воду из своего тела.
- Стальные шары Цеппели также могут воздействовать на кожу и придавать ей внешний вид, чтобы заставить цель стать морщинистой и истощённой, или наоборот украшать чью-то кожу и улучшать их силуэт.
- Они также могут сбрить чьи-то волосы.
- Джайро может искривлять растения в сторону от его пути.
- Джайро может сам вращать воду, создавая временную сферу и отражающую атаки.
- Вращая два стальных шара рядом друг с другом, плотность воздуха может отражать свет и создавать миражи, обманывая заставляя их делать бесполезные атаки.
- Интересно, что люди не могут чувствовать, когда на них воздействуют Стальные Шары. Джонни держал в руке все ещё вращающуюся пробку, не осознавая этого, и во время их последнего противостояния смог несколько раз ударить Фанни с помощью Золотого Вращения и скрыть его эффекты, включая отрывание уха.
- Цели Вращения обычно замечают Вращение только через осмотр тела, или косвенные последствия Вращения. Джайро объясняет это стальным шаром, который ошеломляет чувства кожи, таким образом, мешает телу раздражение.
Джонни Джостар
Основная статья: Бивень
Джонни Джостар использует силу вращения, чтобы проявить собственный Стенд Tusk.
Его потенциал для создания его собственных ногти и ногти на ногах, использующие их в снарядов.Почти полностью оскорбительные по своей природе «ногтевые пули» По мере того как Джонни развивает силу своего Стенда, он также представляет более продвинутые приложения Вращения и его ногтевых пульса в контексте боя.
Неаполитанская королевская армия
Королевские гвардейцы Неаполя используют узкоспециализированную и агрессивную версию Спина Wrecking Ball вместо простых сферических шаров.
Сферы меньшего размера, встроенные в Аварийный шар, могут внезапно выскочить несколько целей с точностью и с неожиданных углов.Более того, даже если спутники не попадают в цель, создаваемая ими в их проходе ударная волна вызывает отсутствие одной из сторон, нанося вред противникам в бою и позволяя Гвардии прятаться от врага.
Soft & Wet Джоске Хигашикаты
Основная статья: Soft & Wet
Пузырьки, созданные стендом Джоске Хигашикаты, Soft & Wet, на самом деле являются мягкими, тонкими струнами, которые вращаются на экстремальных скоростях с помощью Спина, придавая вид сфер.
Эти пузыри можно использовать для кражи свойств их живых организмов и использовать в наступлении и обороне. Пузырьки также сами по себе могут быть использованы в качестве оружия, так как они генерируют небольшие взрывы при срабатывании в результате срабатывания Soft & Wet с Killer Queen Йошикаге Киры. Корреляция между самим Спином и способностью Soft & Wet к кражи не была полностью объяснена.
Галерея
Примечания
Навигация
Обладатели СпинаСпин-орбитроника
Как известно, в микроэлектронной индустрии носителем информации электроника.Спин-орбитроника (миниатюрная электроника) основана на передаче спинового магнитного момента, что требует намного меньше энергии, чем при переносе электрического заряда. [1]
2020: В ДВФУ воплощают подход для создания миниатюрной электроники будущего
24 августа 2020 года стало известно о том, что ученые Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) вместе с коллегами из России, Южной Кореи и Австралии предложили метод управления спин-электронными свойствами и функциональностью тонкопленочных магнитных наносистем.
Открытие для создания следующего поколения миниатюрной электроники (спин-орбитроники) и компьютерной памяти. Статья опубликована в NPG Asia Materials. Ученые из лаборатории пленочных технологий ШЕН ДВФУ обеспечивают функциональность магнитной наносистемы, построенной по принципу сэндвича, через поверхностные шероховатости магнитной пленки, зажатой между слоем тяжелого металла и покрывающим слоем.
Как пояснялось, используя амплитуду шероховатостей на нижней и верхней поверхностях (интерфейсах) магнитной пленки в диапазоне менее нанометра, что сравнимо с размерами элементов, исследователи смогли максимизировать полезные спин-электронные эффекты, важные для работы электроники будущего.Установлено, что для этого на нижнем и верхнем интерфейсе магнитной пленки шероховатости повторять друг друга.
Работоспособность до начала испытания на примере магнитной системы толщиной в диапазоне от 0 до 12 нанометров (нм), покрытого слоем платины толщиной 2 нм и ферромагнетика (сплав CoFeSiB) толщиной 1,5 нм.
Многослойную структуру накрывали слоем из оксида магния (MgO), тантала (Ta) либо рутения (Ru) – разные материалы- «крышки» позволяют расширить возможности управления магнитными свойствами наносистемы.
В современной электронике размеры транзисторов все время уменьшаются. При этом на август 2020 года общий тренд развития направлен на получение атомарно-гладких бездефектных поверхностей. Однако, было бы большой ошибкой стремиться к идеальному интерфейсу, потому что много физических эффектов лежит за пределами атомарного упорядочения и идеально плоских поверхностей. С уменьшением функциональных элементов электроники роль поверхностных шероховатостей очень сильно возрастает.Во многом благодаря аналитическому анализу оборудования, мы только начали проникать в природу обнаруженных явлений и понимать роль шероховатостей и атомарного перемешивания на интерфейсах. Главный посыл нашего исследования заключается в том, что атомарные шероховатости можно использовать во благо для реализации спин-орбитронных устройств с улучшенными свойствами. Александр Самардак, автор идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе |
Ученый рассказал, что последние пять лет в мире активно развивается область физики, спин-орбитроника.Она изучает не просто спин электрона (собственный момент импульса электрона – квантовое свойство, не связанное с движением (перемещением или вращением) электрона как целого), спин-орбитальное взаимодействие. Такое взаимодействие между электроном, вызывающим вращающийся вокруг орбите атомного ядра и создающим магнитное поле, вызывает его собственный магнитный момент, который обусловлен спином электрона.
Преимущество спин-орбитроники в том, что функциональность создаваемых устройств (например, магнитной памяти) обеспечивается непосредственно через управление спин-орбитальным взаимодействием в составляющих их наноматериалах, например, в тяжелых металлах.
Достаточно сильным спин-орбитальным взаимодействием обладают тяжелые металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt).
Привести контакт с тонкой толщиной в несколько атомных слоев, магнитной пленкой (например, Co, Ni, Fe, Py), можно радикально поменять электронные и магнитные свойства системы.
Во-первых, можно управлять намагниченностью, получая наносистемы, намагниченные перпендикулярно плоскости пленки – так делают в современных жестких дисках и разработанных носителях следующего поколения, чтобы повысить плотность хранения информации, увеличить скорость записи / чтения и количество циклов перезаписи.Во-вторых, сильное спин-орбитальное взаимодействие в тяжелом металле приводит к «деформации» электронных орбиталей элементов магнитного материала (пленки), в результате возникают спиновые эффекты, такие как магнитное затухание и интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория, появляющееся на границе тяжелого металла и покрывающего его магнитного слоя. Это антисимметричное взаимодействие приводит к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы. Такие спиновые текстуры имеют громадный потенциал для электроники будущего, играя роль энергонезависимых носителей информации. Например, на их основе можно делать компоненты компьютерной памяти, которые будут работать без магнитных головок, а биты в них будут переключаться токовыми импульсами за счет «переворота» спинов электронов. Такие устройства будут работать на скорости передачи битов до нескольких км / с подачей только электрического тока и вмещать на порядок больше данных. |
Для эксперимента методом молекулярно-лучевой эпитаксии исследователи вырастили серию палладиевых пленок с монокристаллической структурой, Рис.1 (а). Ученые представили, что шероховатая поверхность пленок Pd может быть описана синусоидальной функцией. Изменяя толщину пленок Pd в диапазоне от 0 до 12,6 нм, им удалось управлять амплитудой и периодом шероховатостей в диапазоне от 0 до 2 нм и от 0 до 50 нм соответственно.
После этого магнетронным напылением в вакууме на поверхность палладия нанесли тонкие пленки платины и магнитного сплава Pt (2 нм) / CoFeSiB (1,5 нм) и покрыли их разными материалами (оксидом магния, танталом, рутением), Рис.1 (b).Материал «крышки» сильно влияет на магнитную анизотропию, в то время как влияние на взаимодействие Дзялошинского-Мория было не таким значительным. При этом наносимые слои Pt и CoFeSiB повторяли морфологию поверхности Pd.
В результате исследователи обнаружили, что не изменяя состав магнитной системы, используя методы исследования поверхностных шероховатостей в суб-нанометровом диапазоне изменения толщины слоя Pd, можно менять ее функциональные свойства. Например, поведение Дзялошинского-Мория увеличилась в 2,5 раза при толщине слоя Pd в 10 нм.Именно при этой толщине шероховатости нижнего и верхнего интерфейса магнитной пленки были максимально скоррелированы.
Рисунок 1 – (a) Монокристаллическая структура палладиевой пленки. Видны упорядоченные атомные плоскости.
(б) Многослойная структура Pd / Pt / CoFeSiB / Ta / TaOx, слои которой обладают кривизной (скоррелированными шероховатостями).По словам Александра Самардака, исследование заняло около четырех лет, еще год потребовался для публикации статьи в престижном журнале издательства Nature.Рецензенты долго не могли поверить возможности управления спин-орбитальными свойствами путем модулирования шероховатостей. В ходе переписки авторам удалось убедить рецензентов и отстоять свою точку зрения. На август 2020 года идет подготовка совместно с другими областями для изучения влияния шероховатостей интерфейса на спиновый эффект Холла и эффект передачи спин-орбитального момента импульса, что позволит крутящуюся подойти к реализации ячеек памяти, магнитный момент, который переключается только электрическим током.
Работа выполнена в рамках Государственного задания № 0657-2020-0013 Минобрнауки России «Многофункциональные магнитные наноструктуры для спинтроники и биомедицины: синтез, структурные, магнитные, магнито-оптические и транспортные свойства».