Одной из основных задач, которые необходимо решить для создания
спинтронных устройств, является создание спиновой поляризации электронов в полупроводниковых
структурах. По-своему подошли к решению этой задачи ученые из Калифорнийского университета в
Санта-Барбаре.
Для устройств «спиновой памяти», «спинового транзистора» и «спинового квантового компьютера»
необходима инжекция спин–поляризованных электронов, то есть нужно уметь «впрыскивать» электроны
с определенной ориентацией спина в полупроводник. Впервые спиновая инжекция из ферромагнетика в
нормальный металл была предложена в ИЯФ им. Б. П. Костантинова АН СССР под Ленинградом [1] и
позже экспериментально наблюдена [2]. Казалось бы, что для инжекции спинов в полупроводник можно
использовать тоже ферромагнитные инжекторные контакты, например, из железа, кабальта, никеля.
Однако, такой метод инжекции спинов через границу металл/полупроводник малоэффективен из-за
большого различия в проводимостях металлического ферромагнитного инжектора и полупроводника,
куда «впрыскиваются» электроны с заданной поляризацией спинов.
Проблема решается, если инжектором является ферромагнитный полупроводник, в котором электроны
упорядочены по спину. Поэтому в настоящее время спиновую инжекцию в полупроводник
осуществляют, пропуская спин-поляризованный электрический ток из магнитного полупроводника под
действием приложенного напряжения. Так работает спиновый фильтр. Однако рассение на границе
раздела ферромагнетик/полупроводник существенно понижает эффективность инжекции спин-
поляризованных электронов. Если обратить напряжение, то из обычного полупроводника в
ферромагнетик смогут попасть лишь электроны с определенным, ориентированными преимущественно
вдоль намагниченности ферромагнитного полупроводника, спином. Обладающие же противоположной
ориентацией спина электроны не пройдут через границу и будут накапливаться в полупроводнике.
Значительного успеха в создании и управлении спинами таким чисто электронным методом добились
учёные из Центра спинтроники и квантовой вычислительной техники при Калифорнийском университете
в Санта-Барбаре. Они сделали сообщений о результатах своей работы на ежегодной конференции
американского физического общества в конце марта [3]. В эксперименте использовался слой арсенида
галлия (обучного полупроводник) толщиной 500 нм, из которого электрический ток протекал в слой
арсенида марганца толщиной 25 нм. Арсенид марганца – ферромагнитный полупроводник, который
теряет свои магнитные свойства при высоких температурах выше примерно 600 К. Измерения
проводились при температуре 7.5 К. Наибольшая эффективность накопления спин-поляризованных
электронов достигалась при прикладываемом напряжении 1.5 В. Она в несколько раз превысила
эффективность спиновой поляризации из ферромагнитного полупроводника в нормальный. Высокая
степень спиновой поляризации была установлена при помощи магнитооптических измерений. Таким
образом, спиновую инжекцию в полупроводник удалось реализовать при помощи электрического тока из
нормального полупроводника в ферромагнитный.
1. А. Г. Аронов, ЖЭТФ 24 (1976) 37.
2. M. Johnson and R.H. Silsbee, Phys. Rev. Lett. 55, 1790 (1985).
3. J. Stephens , J. Berezovsky , J. P. McGuire, L. J. Sham, A. C. Gossard and D. D. Awschalom, March
Meeting of the APS, 22-26 March 2004, Montreal.