Тепло, еще теплее…

Спинтроника рождалась постепенно, и, хотя это произошло недавно, проследить ее истоки достаточно сложно. Во всяком случае, в 70-е, когда по России и Франции прокатилась интенсивнейшая волна экспериментальных и теоретических исследований спиновых явлений [1], слово “спинтроника” еще не существовало. И хотя во французском комедийном романе “Литератрон” [2] окончание “…трон” приделывалось почти ко всем мыслимым существительным, преобразовывать слова в женский род не догадались, несмотря на числящееся за французами легкомыслие.

В достаточно подробном современном обзоре по спинтронике [3] возникновение самого термина “спинтроника” относят к 1996 г. Авторство слова приписывают S.A.Wolf’у, который этим удачным термином запустил первые исследовательские программы DARPA по спиновой тематике. (DARPA - агентство по оборонным исследованиям США, Defense Advanced Research Projects Agency). С тех пор спинтроника – достойный раздел физики конденсированного состояния, представленный на полупроводниковых и магнитных конференциях, и, одновременно, источник надежды для тех, кто близко и всерьез воспринимает естественные ограничения электроники традиционной. Так что и здесь вначале было слово.

В обсуждаемой работе [4] новых слов не придумано. Работа интересна именно как продвижение спинтроники в практику, как шаг на пути превращения красивой области науки в нечто практически полезное. При этом авторы работы [4] попытались продвинуться сразу по двум критически важным направлениям.

Во-первых, они оставили в стороне материалы экзотические и даже не очень экзотические, и остановились на кремнии. Почему – вопрос отдельный. Вся современная электроника, за исключением фотоники и некоторых специальных устройств, сделана на кремнии. Кроме того, у кремния слабое спин-орбитальное взаимодействие, что приводит к большим временам существования электронного спина. Представляется, однако, что второй аргумент не основной. Малое спин-орбитальное взаимодействие действительно увеличивает время жизни спина, но в той же мере затрудняет управление им и его детектирование. Скорее, кремний выбран из-за необходимости в конечном итоге подстроиться под уже существующие технологии, чтобы была возможность вписаться в мировую электронную индустрию. Последние аргументы более существенны, хотя, возможно, не столь возвышенны и наукообразны.

Во-вторых, спинтронике нужно научиться работать при комнатных температурах. При низких температурах существует много удивительного и потенциально полезного, та же сверхпроводимость, например. В свое время, в 60-70 годы лозунг “… еще теплее” был актуален именно по отношению к сверхпроводящим материалам, и подъем Тс на каждую десятую градуса был интернациональным праздником в мире науки. 80-е подарили высокотемпературную сверхпроводимость, температура перехода забралась выше 100К. И что? Кто-нибудь уже видел поезда на сверхпроводящей подвеске, которые не будут разбивать рельсовый путь и ездить почти без затрат энергии? Увы, трезвая экономика не принимает чудес. Нужна комнатная температура.

В обсуждаемой работе [4] авторы сознательно ограничились комнатной температурой. При этом были успешно реализованы все три необходимые для спинтроники стадии работы: 1) инжекция спин-поляризованных электронов из ферромагнитного контакта в кремний, 2) управление спиновым током, 3) измерение спинового тока. Успеху во многом способствовало использование туннельного барьера из Al2O3 между ферромагнетиком и кремнием (см.рис.). Помимо высокой рабочей температуры, в [4] впервые осуществлена инжекция спинов в кремний как n-типа, так и p-типа. При этом степень спиновой поляризации достигала 4.6% (в предыдущих работах – намного меньше 1%). Длина спиновой диффузии составила 310 нм для электронов и 230 нм для дырок, что уже достаточно для конкретных применений.

Профиль энергетических зон в кремнии n-типа вблизи границы с ферромагнитным контактом.

Правда, хотелось бы предостеречь от избыточного оптимизма. Сигнал от рекордного количества накопленных спинов составил всего 1.4мВ, что явно недостаточно для приборных применений, да и то, для того, чтобы этот сигнал выделить, нужно приложить к образцу внешнее магнитное поле порядка 0.1 Тл.

Так что основная идея статьи [4] вполне укладывается в каноническую формулировку детской игры, когда окружающие хором комментируют постепенное приближение к цели одного из играющих “...тепло…еще теплее…”. Интересно, что в данном случае формулировка подходит буквально – именно достижение более высоких температур и есть основной положительный результат обсуждаемой работы. Но как знать, может в этом небольшом достижении и есть залог того, что спинтроника когда-нибудь выйдет за пределы игры.