Прорыв в спинтронике / Хабр
Ученые из IBM Research и ведущего европейского образовательного и научно-исследовательского центра ETH Zurich впервые в истории получили изображения формирования стабильной спиновой спирали в полупроводнике.
«Обычно подобные спины электронов быстро меняют и теряют свою ориентацию. Но нам впервые удалось найти способ выравнивания их свойств в регулярный цикл смены спинов»
Спинтроника (или спиновая электроника) — достаточно молодая область современной физики, привлекающая многих исследователей многообещающими практическими применениями.
Ее отличие от традиционной электроники заключается в том, что если в обычном электрическом токе перемещаются заряды, то в электронике нового поколения перемещаются спины электронов.
Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний − либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разно-направлены).
«Вращение» электрона и его верхней и нижней ориентации кодирует логические биты в системе. При кодировании битов ученые предлагают ориентироваться на физическое пространство, в котором находится электрон. Электрон, ось которого направлена условно вверх, принимают за логическую единицу, а электрон, ось которого направлена условно вниз — за логический ноль.
В чем состоит миссия спинтроники?
В ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.
В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется.
По словам ученых из IBM, электроны очень быстро меняют спины – на переключение тратится около 100 пикосекунд (1 пикосекунда – одна триллионная доля секунды). И в этом заключается основная проблема – 100 пикосекунд недостаточно, чтобы микросхемы успели зафиксировать изменение состояния в системе.Несмотря ни на что
Исследователи из IBM разработали метод синхронизации электронов, увеличив время спина в 30 раз — до 1 наносекунды (что равняется циклу микропроцессора с частотой 1 Гигагерц).
Внимание ученых привлек ранее не описанный физиками факт – при вращении электронов в полупроводниках их спины перемещаются на десятки микрометров, при этом синхронно вращаясь, подобно вальсирующим парам.
«Если в начале круга в вальсе лица всех женщин обращены в одну сторону, то уже через некоторое время вращающиеся пары окажутся смотрящими в разных направлениях.
В лабораториях IBM Research ученые использовали ультракороткие лазерные импульсы для наблюдения за перемещениями тысяч спинов электронов, которые были запущены во вращение одновременно в пределах сверхмалой области.
Исследователи IBM применили методику сканирующего микроскопа с временным разрешением и получили изображения синхронного «вальса» спинов электронов.
Причиной синхронного движения спинов является так называемое спин-орбитальное взаимодействие, физический механизм, который связывает спин с движением электрона. Экспериментальный полупроводниковый образец был изготовлен на основе арсенида галлия (GaAs) учеными из ETH Zurich. Арсенид галлия, полупроводник группы III/V, широко используется в производстве таких устройств, как интегральные микросхемы, инфракрасные светодиоды и высокоэффективные солнечные элементы.
Выход спиновой электроники из лабораторий на рынок по-прежнему остается чрезвычайно сложной задачей. Сегодняшние исследования осуществляются при очень низких температурах, при которых спины электронов минимально взаимодействуют с окружающей средой.
В частности, описываемая здесь исследовательская работа проводилась учеными IBM при температуре 40 градусов Кельвина (-233 по Цельсию или -387 по Фаренгейту). Но, в любом случае, новое открытие дает контроль над движением магнитных «зарядов» в полупроводниковых устройствах и открывает новые возможности и перспективы для создания малогабаритной и энергосберегающей электроники.
Физики обнаружили новый вид возбуждения в диэлектрике
Рисунок 1. Возбуждение спинона в в спин-жидкостном состоянии вещества.
Международная научная группа, в которую входят ученые Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, экспериментально обнаружила особый тип поглощения электромагнитного излучения диэлектриком. Характеристики поглощения совпадают с теоретическим предсказанием нового фундаментального вида возбуждения материала. Это открытие поможет исследователям в создании квантово-электронных систем. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Про спиновую жидкость
У электронов, как и многих других элементарных частиц, существует собственный магнитный момент — спин, который может быть направлен в двух направлениях: условно, вверх или вниз. Его значение, в зависимости от направления, может быть равно +½ или -½. Если положение спина одного электрона сильно зависит от положения спина другого, а именно, спины сориентированы параллельно и противоположно направлены, говорят о наличии сильного антиферромагнитного взаимодействия. В таком случае суммарный спин будет равен нулю, но поскольку у каждого электрона спин по ½, у одного будет +½, у другого -½. Обычно при наличии сильного антиферромагнитного взаимодействия материалы создают при низких температурах определенный магнитный порядок, то есть в каждой точке пространства в материале четко определено направление магнитного момента.
Квантовое состояние в системах со свободными электронами, при котором между спинами электронов есть очень сильное антиферромагнитное взаимодействие, но ни при каких температурах нет магнитного порядка, называют спиновой жидкостью.
И такие материалы недавно были экспериментально найдены.
Сильное антиферромагнитное взаимодействие предполагает, что температуры, при которых это взаимодействие не расшатывается хаотическим тепловым движением, довольно высокие. В спин-жидкостных материалах это где-то -70℃. Таким образом, в состоянии спиновой жидкости у вещества есть сильный магнитный обмен, но нет магнитного порядка.
Про спиноны
Один из признаков спиновой жидкости — это возможность возбудить спиновую подсистему. Если система будет поглощать электромагнитную энергию, она будет переходить в какое-то устойчивое возбужденное состояние. Если вещество находится в основном состоянии спиновой жидкости, элементарная составляющая этого возбужденного электронного состояния будет называться спинон. Разобраться в природе спинонов можно на примере другого вида возбуждения — магнонов. Это магнитные возбуждения, связанные с магнитным моментом.
«Пусть все электроны антиферромагнитно упорядочены.
И вы у одного электрона переворачиваете спин. Он перестает быть антиферромагнитно упорядоченным по отношению к своим соседям. Тогда соседние электроны тоже начинают переворачиваться. И этот переворот спина распространяется по всем электронам. Это возбуждение и описывается с помощью магнонов», — поясняет соавтор статьи заместитель заведующего Лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ Елена Жукова.
Характеристикой магнона является то, что спиновое состояние равно 1. То есть это целочисленное возбуждение, поскольку в нем всегда участвуют два спина: один перевернулся — он сразу же перевернет своих соседей. Спинон же, напротив, нецелочисленная квазичастица — это возбуждение со спином ½ и зарядом 0.
Рисунок 2. Иллюстрация распространения возбуждения в спиновой подсистеме. Розовым и красным цветами обозначены разные направления спинов.
Долгое время спиноны не могли обнаружить, хотя они были теоретически предсказаны еще в 1973 году.
Про работу
Одним из методов обнаружить возбуждение спинонов – это исследовать материал, в котором при переходе в возбужденное состояние квантовой спиновой жидкости за счет повышения температуры включается сильное взаимодействие спинов (у которых нет заряда) с электронами. Такие спин-зарядовые корреляции, как было показано теоретически, должны приводить к поглощению электромангнитной волны.
«Были попытки обнаружить это взаимодействие. Но получаемые данные только качественно совпадали с теорией. Наше исследование говорит, что для того, чтобы обнаружить спиноны, необходимо использовать материал, у которого при высоких температурах много электронов проводимости, но при понижении температуры они все становятся сильно локализованы за счет кулоновского отталкивания. Под такое описание идеально подходят так называемые моттовские изоляторы. Если вы понижаете температуру такого материала, то есть понижаете кинетическую энергию электронов, их кулоновское отталкивание начинает превалировать — электроны теряют возможность двигаться.
Они становятся замороженными», — рассказывает Елена Жукова.
В сильных моттовских изоляторах с разупорядоченной спиновой подсистемой, в которых электроны совсем неподвижны, становится возможным наблюдать спиноны методами терагерцовой оптической спектроскопии, в диапазоне частот от 30 ГГц до 5-6 ТГц. Авторы обнаружили это возбуждение в виде дополнительного поглощения электромагнитной волны на низких частотах, характеристики которого очень похожи на теоретически предсказанные.
«Исследованные нами материалы в состоянии диэлектрика поглощали электромагнитные волны сильнее, чем, казалось бы, должны были, причиной чего было возбуждение спинонов. И поскольку этот эффект сугубо квантовый, его будет необходимо учитывать при создании устройств квантовой электроники, которая использует принципы квантовой природы носителей заряда», — заключает Елена Жукова.
Полученные результаты подтверждают фундаментальную теорию квантовой спиновой жидкости.
Темы: лаборатория терагерцовой спектроскопии, моттовские изоляторы, спиновая жидкость, спинон, фундаментальная наука,
Спин электрона
Спин электрона
Дальнейшее обсуждение | Индекс | ||
| Назад |
Два типа экспериментальных данных, появившихся в 1920-х годах, свидетельствовали о дополнительном свойстве электрона. Квантование углового момента уже возникло для орбитального углового момента, и если бы этот спин электрона вел себя так же, квантовое число углового момента s = 1/2 требовалось, чтобы дать только два состояния. Это внутреннее свойство электрона дает: | Index | ||
| Вернуться |
Одним из них было близкое расщепление спектральных линий водорода, называемое тонкой структурой. Другим был эксперимент Штерна-Герлаха, который показал в 1922 году, что пучок атомов серебра, направленный через неоднородное магнитное поле, разделится на два луча. Обе эти экспериментальные ситуации согласовывались с наличием собственного углового момента и магнитного момента у отдельных электронов. Классически это могло бы произойти, если бы электрон был вращающимся заряженным шаром, и это свойство было названо спином электрона. Экспериментальные данные, такие как тонкая структура водорода и эксперимент Штерна-Герлаха, позволяют предположить, что электрон обладает собственным угловым моментом, не зависящим от его орбитального углового момента. Имея это свидетельство, мы говорим, что электрон имеет спин 1/2. Угловой момент и магнитный момент действительно могут возникнуть из-за вращающейся заряженной сферы, но эта классическая картина не может соответствовать размеру или квантованной природе спина электрона. Свойство, называемое спином электрона, следует рассматривать как квантовую концепцию, не имеющую подробной классической аналогии. Квантовые числа, связанные со спином электрона, следуют характерной схеме:
| Index | |||
| Назад |
Эти эксперименты предполагают только два возможных состояния для этого углового момента, и, следуя модели квантованного углового момента, это требует квантового числа углового момента, равного 1/2. Поскольку электрон обладает собственным угловым моментом, можно было бы ожидать, что магнитный момент будет соответствовать форме орбиты электрона. но измеренное значение оказывается примерно в два раза больше. Измеренное значение записывается где g называется гиромагнитным отношением, а g-фактор спина электрона имеет значение g = 2,00232 и g = 1 для орбитального углового момента. Точное значение g было предсказано релятивистской квантовой механикой в уравнении Дирака и измерено в эксперименте со сдвигом Лэмба. Естественная константа, возникающая при рассмотрении магнитных эффектов, называется магнетоном Бора. Магнитный момент обычно выражается кратным магнетону Бора. Спиновый магнитный момент электрона играет важную роль в спин-орбитальном взаимодействии, которое расщепляет энергетические уровни атомов и порождает тонкую структуру в спектрах атомов. Магнитный момент спина электрона также является фактором взаимодействия атомов с внешними магнитными полями (эффект Зеемана). Термин «спин электрона» не следует понимать буквально в классическом смысле как описание происхождения описанного выше магнитного момента. Конечно, вращающаяся заряженная сфера может создавать магнитный момент, но величину полученного выше магнитного момента нельзя разумно смоделировать, рассматривая электрон как вращающуюся сферу. Высокоэнергетическое рассеяние от электронов показывает отсутствие «размера» электрона вплоть до разрешения около 10 -3 ферми, и при таком размере потребовалась бы нелепо высокая скорость вращения порядка 10 32 радиан/с, чтобы соответствовать наблюдаемому угловому моменту. | Index | ||
| Назад |
Тогда можно было бы ожидать, что z-компонента магнитного момента, связанного со спином электрона, будет равна 
Этот эксперимент подтвердил квантование спина электрона по двум ориентациям. Потенциальная энергия магнитного момента спина электрона в магнитном поле, приложенном в направлении z, равна , где g — g-фактор спина электрона, а m B — магнетон Бора. Использование отношения силы к потенциальной энергии дает Можно показать, что отклонение пропорционально спину и величине градиента магнитного поля. Она обратно пропорциональна кинетической энергии частицы.
| Индекс Великие физические эксперименты Ссылка | |
| Назад |
Это внесло большой вклад в развитие квантовой теории атома. В 1921 году Отто Штерн и Вальтер Герлах провели эксперимент, который показал квантование спина электрона по двум ориентациям. Настоящий эксперимент проводился с пучком атомов серебра из горячей печи, поскольку их можно было легко обнаружить с помощью фотоэмульсии. Атомы серебра позволили Штерну и Герлаху изучить магнитные свойства отдельного электрона, потому что эти атомы имеют единственный внешний электрон, который движется в кулоновском потенциале, вызванном 47 протонами ядра, экранированными 46 внутренними электронами. Поскольку этот электрон имеет нулевой орбитальный угловой момент (орбитальное квантовое число l = 0), можно было бы ожидать, что взаимодействия с внешним магнитным полем не будет. Штерн и Герлах направили пучок атомов серебра в область неоднородного магнитного поля (см. схему эксперимента). Магнитный дипольный момент будет испытывать силу, пропорциональную градиенту поля, поскольку два «полюса» будут подвергаться воздействию разных полей. Классически можно было бы ожидать всех возможных ориентаций диполей, чтобы на фотопластинке образовалось непрерывное пятно, но они обнаружили, что поле разделяет пучок на две отдельные части, указывая только на две возможные ориентации магнитного момента электрона. Но как электрон получает магнитный момент, если он имеет нулевой угловой момент и, следовательно, не создает «токовой петли» для создания магнитного момента? В 1925 году Сэмюэл А. Гоудсмит и Джордж Э. Уленбек постулировали, что электрон имеет собственный угловой момент, не зависящий от его орбитальных характеристик. Говоря классическим языком, заряженный шар мог бы иметь магнитный момент, если бы он вращался так, что заряд на краях создавал эффективную петлю с током. Такого рода рассуждения привели к использованию «электронного спина» для описания собственного углового момента. | Индекс Великие физические эксперименты Справочник Рольф, гл. 8.4 | ||
| Вернуться назад |
Это внесло большой вклад в развитие квантовой теории атома.
Определение спина электрона — Химический словарь
Что такое спин электрона?
Электронный спин — это квантовое свойство электронов.
Это форма углового момента.
Величина этого углового момента постоянна.
Подобно заряду и массе покоя, спин является фундаментальным неизменным свойством электрона.
В качестве метода обучения инструкторы иногда сравнивают вращение электрона с вращением Земли вокруг своей оси каждые 24 часа. Если электрон вращается вокруг своей оси по часовой стрелке, это называется вращением вверх; против часовой стрелки – вращение вниз. Это удобное объяснение, хотя и не вполне оправданное математически.
Спиновый угловой момент, связанный со спином электрона, не зависит от орбитального углового момента, связанного с путешествием электрона вокруг ядра.
Спин электрона не используется для определения электронных оболочек, подоболочек или орбиталей, в отличие от квантовых чисел n, l и m l .
Электронный спин против квантового числа электронного спина
Спин электрона и квантовое число спина электрона часто трактуются как одно и то же.
Оба являются квантовыми числами.
На самом деле это разные, но очень близкие понятия.
• спин электрона имеет символ s
• квантовое число спина электрона имеет символ m с .
с
Спин электрона, с, имеет только одно возможное значение. Это значение равно ½. Как масса покоя и заряд электрона, спин не меняется.
m
sВ отличие от массы и заряда электрона, спин имеет ориентацию. Ориентация спина показана квантовым числом спина m s .
m s может быть положительным или отрицательным.
Различные способы выражения m s должны написать:
• + или –
• ускорение или замедление вращения
• или
Например, на диаграмме ниже гелий находится в основном электронном состоянии.
Один из его электронов имеет спин вверх, другой – вниз. Альтернативно, один из его электронов имеет положительный спин, другой – отрицательный.
Обычно говорят, что любой электрон в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами:
• n: главное квантовое число
• l: квантовое число орбитального углового момента
• m l : магнитное квантовое число
• m s : спиновое квантовое число
Мы не включаем s, потому что его значение не меняется.