Одной из основных задач, которые необходимо решить для создания спинтронных устройств, является создание спиновой поляризации электронов в полупроводниковых структурах. В настоящее время активно идут эксперименты по использованию для этих целей магнитных туннельных структур.

В последнее время значительное внимание уделяется развитию такого перспективного направления как спиновая электроника (спинтроника). В отличие от традиционной электроники, оперирующей только с зарядом электрона, спинтроника предполагает работу со спиновыми степенями свободы. Для создания спинтронных устройств необходимо решить несколько задач, в частности, нужно научиться создавать в полупроводниках спиновую поляризацию (т.е. "выстаивать" спины носителей заряда в одном направлении), обеспечить как можно бОльшие времена спиновой релаксации и научиться транспортировать носители заряда с ориентированными спинами на достаточные расстояния.

Для промышленной реализации спинтронных устройств желательно уметь управлять спиновой поляризацией в полупроводниковых и гибридных структурах за счет изменения напряжения при комнатной температуре. В настоящее время до достижения этой цели еще далеко, и ученые ищут подходы к ней. Задача по созданию спиновой поляризации электронов в полупроводнике может решаться за счет инжекции ориентированных по спину электронов из ферромагнитных материалов или разбавленных магнитных полупроводников (твердых растворов, в которых присутствует несколько процентов магнитных ионов, например, марганца), но, похоже, более удобно решать ее не "в лоб", а с использованием различных туннельных структур.

Рис.1. a - схематическое изображение магнитного резонансно-туннельного диода ; b - схематическое изображение зонной структуры (зоны проводимости) резонансно-туннельного диода при определенном приложенном напряжении.

Об исследовании одного из видов таких структур - магнитного резонансно-туннельного диода - сообщается в недавней работе ученых из университета Вюрцбурга [1]. Данное устройство позволяет селектировать электроны по спину за счет резонансного туннелирования электронов с той или иной ориентацией спина и, что особенно удобно, селекцию электронов по спину можно осуществлять только за счет изменения напряжения. Ученые исследовали выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии структуры на основе полупроводников II-VI (схема структуры изображены на рис.1a). Основным элементом этой структуры являются пять полупроводниковых слоев нанометровой толщины (ZnSe-Zn_0.7Be_0.3Se-Zn_0.96Mn_0.04Se- Zn_0.7Be_0.3Se-ZnSe). Zn_0.96Mn_0.04Se является разбавленным магнитным полупроводником, а ширина запрещенной зоны Zn_0.7Be_0.3Se превышает ширины запрещенных зон двух других полупроводников (схематически зонная структура обсуждаемой области показана на рис. 1b). За счет разницы ширины запрещенных зон в центральной области формируется квантовая яма (энергетический спектр квантовой ямы представляет набор энергетических уровней, точнее говоря, энергетических подзон). При приложении магнитного поля происходит зеемановское расщепление уровней энергии в квантовой яме (рис. 1b), при этом, меняя приложенное к структуре напряжение, можно создавать условия для резонансного туннелирования электронов с различной ориентацией спина (вверх или вниз).

При наличии магнитного поля исследователи действительно наблюдали появление двух особенностей на вольт-амперных характеристиках, связанных с туннелированием электронов, различающихся направлением спина. Проведенное моделирование достаточно хорошо описывает наблюдаемое изменение вольт-амперных характеристик в зависимости от магнитного поля. Однако ученые не могут пока точно определить степень спиновой поляризации тока, текущего через резонансно-туннельный диод, для этого требуются новые эксперименты.

Рис.2. Схематическая зонная диаграмма магнитного туннельного транзистора; EF - энергия Ферми; VEB - напряжение эмиттер/база, определяющее энергию инжектируемых в базу электронов; VCB - напряжение коллектор/база.

Задачей оценить степень спиновой поляризации электронов, достигаемой в другом типе структур - магнитных туннельных транзисторах - задалась группа американских ученых; они использовали для этого оптические методы [2]. Магнитный туннельный транзистор состоит из магнитного туннельного перехода (см. рис.2) и полупроводникового коллектора. Эмиттер и база представляют собой пленки из ферромагнитных материалов, разделенные тонким диэлектрическим барьером. Ориентированные по спину электроны инжектируются из эмиттера в базу сквозь туннельный барьер и далее попадают в коллектор. Энергия инжектированных в базу электронов достаточно высока (см. рис.2), но в базе происходят процессы рассеяния электронов, которые сопровождаются изменением их энергии. Интенсивность рассеяния сильно зависит от ориентации спина электрона (вверх/вниз) и потому потери энергии сильны только для одного из направлений спина. Поэтому энергию, достаточно высокую для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер на границе металл/полупроводник (база/коллектор), имеют практически только электроны с одной ориентацией спина. В принципе, спиновая поляризация электронов, попадающих в коллектор, может быть близка к 100 %. Однако необходимо еще понять, что происходит со спинами электронов в коллекторе. Для оценки степени спиновой поляризации электронов в коллекторе ученые из Стэнфордского университета и университета Сан-Хосе "встроили" в коллектор магнитного туннельного транзистора три квантовых ямы In_0.2Ga_0.8As/GaAs (сначала методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAsp-типа была выращена полупроводниковая гетероструктура с квантовыми ямами, а затем методом магнетронного распыления сверху был выращен магнитный туннельный переход: база из двух слоев ферромагнитных материалов (Co₈₄Fe₁₆ толщиной 1.5 нм и Ni₈₁Fe₁₉ толщиной 3.5 нм), диэлектрический барьер Al₂O₃ толщиной 2.2 нм и эмиттер - слой Co₈₄Fe₁₆ толщиной 5 нм).

Попадающим в коллектор электронам энергетически выгодно "свалиться" в квантовые ямы, где они рекомбинируют с дырками, а поляризация испускаемого при рекомбинации электрона и дырки излучения зависит от спинов частиц (в условиях описываемого эксперимента она определяется спином электрона). Эксперименты с регистрацией электролюминесценции в такой структуре показали, что степень поляризации излучения может достигать 10 %. Конечно, 10 % - не очень впечатляющая цифра, но нужно иметь в виду, что это оценка снизу: электроны, попадая в квантовые ямы, отдают "излишек" энергии, при этом степень спиновой поляризации, естественно, уменьшается, есть и другие механизмы, приводящие к спиновой релаксации.

Хотя, повторимся, до создания работающих спинтронных устройств дело еще не дошло, но, похоже, ученые все ближе и ближе подходят к решению этой задачи, и уж, во всяком случае, поиск оптимальных подходов к ее решению дает определенные плоды.

1. A.Slobodskyy, G.Gould, T.Sloboudskyy. Phys.Rev.Lett., v.90, 246601 (2003).

2. X.Jiang, R.Wang, S. van Dijken et al. Phys.Rev.Lett., v.90, 256603 (2003).

Е.Онищенко