1 нанометър: учените за първи път стабилизират спина на електрона на рекордно кратко разстояние

Учени от Университета Райс показаха, че миниатюрните бръчки в двуизмерните материали могат да се използват за контролиране на електронния спин с рекордна точност. Това откритие проправя пътя за създаването на свръхкомпактни и енергийно ефективни спинтронни устройства, които могат да преодолеят ограниченията на силициевата електроника.

Днешните процесори и памет се захранват от електрически заряд, преминаващ през силиций, но в бъдеще все повече внимание ще се обръща на спина на електрона – квантов параметър, който може да приема две състояния: нагоре или надолу.

Този подход, наречен спинтроника може не само да намали консумацията на енергия от компютърните системи, но и да увеличи плътността на съхранение и обработка на информацията. Основната трудност тук е, че спиновото състояние е много нестабилно: когато електроните се сблъскват с атомите в материала, информацията бързо се губи.

Изследователите от групата на професор Борис Якобсон откриват, че деформациите в атомно тънки материали, като дителлурид молибден, създават специална спинова структура – така наречената устойчива спинова спирала (persistent spin helix, PSH). В тези състояния спинът се запазва дори когато електроните са разпръснати. В конвенционалните материали посоката на движение на електроните е свързана със спина: ако траекторията се промени, спиновото състояние също се променя. В PSH това ограничение е премахнато – спинът остава стабилен, което прави възможен надеждния пренос на информация.

Механизмът е свързан с явлението флексоелектрична поляризация. Когато един двуизмерен материал се огъва, горният му слой се разтяга, а долният се свива, което води до изместване на положителните и отрицателните заряди един спрямо друг и до създаване на вътрешно електрическо поле. Електронните спинове взаимодействат с това поле и образуват зони, в които се подреждат в спираловидни структури. Колкото по-силно е огъването, толкова по-изразен е ефектът. В контурите и гънките на двумерните материали спиновете започват да се редуват между възходящи и низходящи състояния само в нанометрови мащаби.

При експеримента върху молибденов дителлурид е постигната дължина на прецесията на спина от само около 1 нанометър – рекордна стойност, която е десетки пъти по-малка, отколкото при други известни материали. Такъв кратък интервал означава, че устройствата, базирани на PSH, могат да бъдат направени изключително компактни.

Авторите отбелязват, че изследването се основава на неочаквана идея: да се съчетаят квантовата физика и механиката на деформациите. Обикновено тези дисциплини почти не се припокриват, но се оказало, че дори макроскопичните промени във формата на двумерните материали влияят пряко върху основните квантово-релативистични взаимодействия на спина и ядрата. Това дава възможност да се проектират нови екзотични спинови текстури и да се използват за разработване на спинтроника .

Работата е подкрепена от Службата за военноморски изследвания на САЩ, Службата за армейски изследвания, Националната научна фондация, Министерството на енергетиката и Министерството на отбраната на САЩ.