Из-за рассеяния электронов в твердых телах неизбежно выделение тепла, т. е. нагрев материала при протекании тока (исключением являются сверхпроводники). Однако, помимо обычной электроники, оперирующей с зарядами, существует иная возможность организации работы полупроводниковых устройств - манипуляции со спином электронов. Поэтому для новой, бурно развивающейся, области физики твердого тела - спинтроники, - актуальным является изучение законов переноса спина в твердых телах и твердотельных гетероструктурах.
Теоретики из Токийского и Стэнфордского университетов [1] "предсказали", что приложенное к полупроводнику электрическое поле вызовет коллективный поток электронных спинов из-за спин-орбитального взаимодействия и топологических эффектов. Направление спинового тока можно найти по следующему правилу: вектора напряженности электрического поля, ориентации спинов и плотности спинового тока должны быть взаимно перпендикулярны. Таким образом, казалось бы, что вместо использования стандартной электроникой напряжения для перемещения зарядов электронов, спинтроника может применять приложенное к полупроводникам напряжение для управления движением спинов электронов, причем без диссипации энергии. Один из авторов, S. Zhang, демонстрировал на сайте http://news-service.stanford.edu/videoarchive.html даже видеоролик "Спинтроника в действии" ('Spintronics' in action) о таком спиновом токе в арсениде галлия, вызванном приложенным электрическим полем (Stanford Report, August 7, 2003). Эта работа, опубликованная в известном журнале "Science", заинтересовала многих.
Однако, в присутствии спин-орбитального взаимодействия спин электрона, строго говоря, не сохраняется. Поэтому к расчету спиновых токов следует относиться с большой осторожностью. Включение электрического поля нарушает симметрию системы относительно инверсии – изменения знака всех пространственных координат. Тогда при обращении времени меняется и направление тока, и направление спина, то есть спиновый ток сохраняется. Входящие в известный закон Ома проводимость и напряженность электрического поля не меняются при обращении времени, что в конечном счете вызывает неизбежное выделение джоулева тепла. Наоборот, спиновая проводимость, связывающая плотность спинового тока и напряженность электрического поля, неизменную при обращении времени, оказывается бездиссипативной как, например, в сверхпроводнике, что и получили авторы [1]. Однако, выведенные спиновые токи не могут быть транспортными, то есть их нельзя применять для переноса спинов и их инжекции в материал. В самом деле, в полупроводниках с кристаллическими решетками без центра инверсии (а такие есть в природе и их немало, например полупроводники арсенид галлия, фосфид галлия с решеткой типа цинковой обманки) незатухающие спиновые токи должны существовать в термодинамическом равновесии и без внешних электрических полей. Таким образом, предложенные в статье [1] спиновые токи, хотя и являются бездиссипативными, оказываются чисто фоновыми. Правильные строгие расчеты показывают, что вклада таких фоновых спиновых токов в перенос самих спинов нет как в двумерном [2], так и в одномерном [3] случаях.
Заметим, что токи, связанные со спинами, были предсказаны и изучались экспериментально советскими учёными задолго до "спинтроники". В самом деле, причина спин-орбитального взаимодействия в том, что электрон, движущийся во внешнем электрическом поле, "видит" магнитное поле, которое и действует на магнитный момент электрона (эффект Бычкова-Рашбы). В результате, благодаря спин-орбитальному взаимодействию и неоднородной плотности спинов, под действием электрического поля в полупроводнике появляется транспортный ток [4], что было экспериментально подтверждено в [5].
1. S. Murakami, N. Nagaosa, S. Zhang, Science, 301 (2003) 1348.
2. E. I. Rashba, Phys. Rev. B 68 (2003) 241315-R.
3. A.G. Mal'shukov, C.S. Tang, C.S. Chu, K.A. Chao, Phys. Rev. B 68 (2003) 233307.
4. М. И. Дьяконов, В. И. Перель, Письма в ЖЭТФ 13 (1971) 657; Н. С. Аверкиев, М. И.
Дьяконов, ФТП 17 (1983) 629.
5. А. Бакун, Б. П. Захарченя, А. А. Рогачев, Н. Н. Ткачук, В. Г. Флейшер, Письма в ЖЭТФ 40
(1984) 464.