Прорыв, который делает возможным практическую полупроводниковую спинтронику

Хорошо известно, что электроны имеют отрицательный заряд, а также обладают еще одним свойством, а именно спином. Последнее может сыграть важную роль в развитии информационных технологий. Проще говоря, мы можем представить электрон, вращающийся вокруг своей оси, подобно тому, как Земля вращается вокруг своей оси.

Спинтроника – многообещающий кандидат на будущие информационные технологии – использует это квантовое свойство электронов для хранения, обработки и передачи информации. Это дает важные преимущества, такие как более высокая скорость и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционной электроникой.
Развитие спинтроники в последние десятилетия было основано на использовании металлов, и они имели большое значение для возможности хранения больших объемов данных. Однако было бы несколько преимуществ в использовании спинтроники на основе полупроводников, точно так же, как полупроводники составляют основу современной электроники и фотоники.

«Одним из важных преимуществ спинтроники, основанной на полупроводниках, является возможность преобразовывать информацию, представленную в состоянии спина, и передавать ее в свет, и наоборот. Технология известна как опто-спинтроника. Это позволило бы объединить обработку и хранение информации на основе вращения с передачей информации через свет », – говорит Веймин Чен, профессор Университета Линчёпинга, Швеция, который руководил проектом.

Поскольку электроника, используемая сегодня, работает при комнатной температуре и выше, серьезная проблема в развитии спинтроники заключалась в том, что электроны имеют тенденцию переключать и случайным образом изменять направление своего вращения при повышении температуры. Это означает, что информация, закодированная в электронных спиновых состояниях, теряется или становится неоднозначной.

Таким образом, необходимым условием для развития спинтроники на основе полупроводников является то, что мы можем ориентировать практически все электроны в одно и то же спиновое состояние и поддерживать его, другими словами, чтобы они были поляризованными по спину, при комнатной температуре и более высоких температурах. Предыдущие исследования позволили достичь максимальной спиновой поляризации электронов около 60% при комнатной температуре, что неприемлемо для крупномасштабных практических приложений.
Исследователи из Университета Линчепинга, Университета Тампере и Университета Хоккайдо достигли спиновой поляризации электронов при комнатной температуре более 90%. Спиновая поляризация остается на высоком уровне даже до 110 ° C. Этот технологический прогресс, описанный в Nature Photonics, основан на опто-спинтронной наноструктуре, которую исследователи построили из слоев различных полупроводниковых материалов.

Он содержит наноразмерные области, называемые квантовыми точками. Каждая квантовая точка примерно в 10 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Когда спин-поляризованный электрон падает на квантовую точку, он излучает свет, точнее говоря, излучает одиночный фотон с состоянием (угловым моментом), определяемым спином электрона.

Таким образом, считается, что квантовые точки обладают большим потенциалом в качестве интерфейса для передачи информации между электронным спином и светом, что будет необходимо в спинтронике, фотонике и квантовых вычислениях. В недавно опубликованном исследовании ученые показывают, что можно использовать соседний спиновой фильтр для удаленного управления электронным спином квантовых точек и при комнатной температуре.
Квантовые точки сделаны из арсенида индия (InAs), а слой арсенида азота галлия (GaNAs) функционирует как фильтр спина. Между ними зажат слой арсенида галлия (GaAs).

Подобные структуры уже используются в оптоэлектронных технологиях на основе арсенида галлия, и исследователи считают, что это может облегчить интеграцию спинтроники с существующими электронными и фотонными компонентами.
«Мы очень рады, что наши долгосрочные усилия по увеличению опыта, необходимого для производства строго контролируемых N-содержащих полупроводников, определяют новые рубежи в спинтронике. До сих пор у нас был хороший уровень успеха при использовании таких материалов для устройств оптоэлектроники, совсем недавно в высокоэффективных солнечных элементах и ​​лазерных диодах.

Теперь мы с нетерпением ждем продолжения этой работы и объединения фотоники и спинтроники, используя общую платформу для световых и спиновых квантовых технологий », – говорит профессор Мирча Гуина, руководитель исследовательской группы Университета Тампере в Финляндии.

OKA-MOS.RU