Спинтроника — это перспективное направление, в котором используются не только заряд электронов, как в традиционной электронике, но и их спин (собственный угловой момент). Разработка быстрых и энергоэффективных спинтронических устройств во многом зависит от выявления материалов с настраиваемой спин-селективной проводимостью. Это означает, что инженеры могут контролировать движение электронов с разной ориентацией спина через эти материалы, используя внешние магнитные или электрические поля.
Исследователи из Колумбийского университета и Национальной лаборатории управляемых магнитных полей недавно представили новый механизм, который позволяет осуществлять спин-селективный транспорт носителей заряда в атомарно тонком дихалькогениде переходного металла, а именно в диселениде вольфрама (WSe₂). Их статья, опубликованная в журнале Nature Physics, может открыть новые возможности для создания компактных и энергоэффективных компонентов для спинтронических устройств.
«Спин — это фундаментальное квантовое свойство электронов, которое в упрощённом виде можно представить как крошечную внутреннюю стрелку компаса, указывающую либо „вверх“, либо „вниз“», — сказал Эн-Мин Ши, первый автор статьи. «Спин лежит в основе магнетизма и играет решающую роль во многих технологиях. Например, в жёстком диске информация хранится в зависимости от того, в каком направлении ориентированы спины в наноматериале. Таким образом, вы можете „записать“ информацию, заставляя спины в определённой области выстраиваться в определённом направлении, но как вы „прочитаете“ эту информацию?»
Один из распространённых подходов к «чтению» информации, хранящейся в спинтронических устройствах, заключается в измерении того, насколько легко электрический ток проходит через намагниченные области в материале. Этот подход основан на том, что электрический ток переносится движущимися электронами, которые также имеют спин.
«Основная идея заключается в том, что, когда спин движущихся электронов совпадает со спинами в близлежащем магните, электрическая проводимость высока (электроны могут легко двигаться), а когда спины не совпадают, проводимость низкая (электроны сталкиваются с препятствиями)», — объяснил Кори Дин, ведущий научный руководитель проекта.
В рамках своего недавнего исследования команда попыталась реализовать спин-селективный транспорт в WSe₂ — материале, который можно синтезировать до атомарной толщины, подобно графену. Однако, в отличие от графена, WSe₂ демонстрирует большое энергетическое расщепление между уровнями энергии «вверх» и «вниз» при приложении к нему внешнего магнитного поля и более сильные кулоновские взаимодействия между носителями заряда, а также большую эффективную массу.
«Мы провели измерения транспорта в высококачественных устройствах WSe₂ в условиях высоких магнитных полей», — сказала соавтор статьи Цяньхуэй Ши. «Магнитное поле индуцирует дискретные энергетические уровни, известные как уровни Ландау. Появление уровней Ландау — это общая особенность любого двумерного материала в присутствии сильных магнитных полей».
В большинстве систем последовательность уровней Ландау состоит из чередующихся уровней со спином «вверх» и «вниз». Таким образом, если вы добавите электроны на эти уровни, чтобы заполнить их, первый уровень будет иметь все спины, направленные вверх, затем на втором уровне все спины будут направлены вниз и так далее. В этом отношении WSe₂ исключительно уникален: несколько уровней подряд могут иметь одинаковый спин, прежде чем вы столкнётесь с противоположным спиновым состоянием.
Интересно, что исследователи наблюдали резкое различие в электрической проводимости WSe₂ в зависимости от спина подвижных носителей на уровне Ферми. Это, по сути, энергетический уровень, который представляет собой наиболее высоко занятое состояние носителей заряда в материалах.
«Когда эти носители принадлежат к группе с преобладающим спином (тот же спин, что и у нижних энергетических „заполненных“ уровней), они могут свободно перемещаться и вносить значительный вклад в проводимость; когда они находятся в группе с меньшинством спинов (противоположный спин по отношению к заполненным уровням), их движение эффективно подавляется — они становятся локализованными, и проводимость резко падает», — сказал Ши.
«Для нас наиболее удивительным было то, что это не малый эффект, и действительно, при правильных условиях он может быть весьма драматичным: состояние с низкой проводимостью практически не показывает проводимости вообще — то есть истинное „выключенное“ состояние», — добавил он.
В своей статье Ши и его коллеги попытались предложить возможное объяснение интересного эффекта, который они наблюдали в WSe₂. В конечном итоге они предположили, что эффект может быть вызван силой, с которой подвижные носители взаимодействуют с фоном уже заполненных инертных электронных состояний.
«Когда подвижные носители имеют другой спин по сравнению с фоном, они испытывают сильные кулоновские взаимодействия с неподвижными зарядами — они, по сути, „увлекаются“ фоном неподвижных зарядов и вынуждены двигаться медленно или даже вообще не двигаться», — объяснил Кун Ян, теоретический соавтор статьи. «Напротив, когда спины совпадают, квантовый принцип исключения Паули не позволяет им взаимодействовать очень сильно, и в этом режиме мобильные электроны проходят мимо без особого внимания к неподвижным зарядам».
Исследователи продемонстрировали, что эффект, наблюдаемый в их экспериментах, можно использовать для реализации спин-селективного транспорта. Более того, механизм, с помощью которого достигается спин-селективный транспорт (то есть взаимодействие между сильными кулоновскими взаимодействиями и разделением спина в различных энергетических зонах), оказался имеющим заметные преимущества по сравнению с другими ранее описанными механизмами, стимулирующими спин-селективный транспорт.
«В отличие от магниторезистивных гетероструктур с пространственно разделёнными магнитными доменами, этот механизм обеспечивает спин-фильтрацию в пределах одного материала, управляемую взаимодействием между свободными и локализованными спинами, находящимися в энергетически разделённых зонах», — сказал Дин. «Кроме того, поскольку мы можем настроить уровень Ферми так, чтобы он находился либо на уровне большинства спинов, либо на уровне меньшинства, с помощью магнитного или электрического поля, спин-селективность легко настраивается».
Эта недавняя работа Ши, Дина, Ши и их коллег открывает новый многообещающий путь для создания компактных, эффективных и настраиваемых спинтронических устройств. В своих следующих исследованиях учёные планируют более подробно изучить механизм, который они выявили, чтобы понять, можно ли его также использовать без применения внешнего магнитного поля.