При рождении спинтроника получила в приданое гигантский арсенал эффектов, наработанный при исследовании оптических, магнитных и полупроводниковых явлений. Исследователям, ассоциировавшим себя со спинтроникой, достаточно долго хватало упомянутого приданого для успешного “подавания надежд”. Однако период беззаботности рано или поздно проходит. Пока естественные пределы развития электроники оставались за горизонтом, от спинтроники, пожалуй, никто реальных свершений и не ожидал. Однако, когда впереди у полупроводниковых технологов замаячили квантовые пределы, вопрос о реальности перспектив спинтроники возник сам собой.

Фундаментальное положение, состоящее в том, что информацию можно кодировать спинами электронов, никто оспаривать не собирался. Но ведь информацию нужно записать, какое-то время хранить, и потом еще и прочитать. К тому же, пока спинтроника взрослела, размеры единичного элемента в традиционной электронике стали много меньше длины световой волны. Вследствие этого исходные идеи о записи и чтении информации поляризованным светом стали смотреться как вопиющий анахронизм. Со временем жизни спина тоже было не все гладко, но тут действительность пошла сама навстречу спинтронике – быстродействие электронных схем выросло настолько, что время жизни спина стало казаться в некоторых случаях не столь уж и малым.

Однако главная неприятность, как это часто бывает, состояла в оборотной стороне достоинств. Спин электрона проводимости не взаимодействует с электрическим полем. Это обеспечивает малые энергии управления спином, относительную независимость его от мешающих факторов и т.д. Однако на спин оказывается столь же трудно повлиять при попытке спинового кодирования информации. Конечно, спин безотказно управляется магнитным полем, но можно ли представить себе, что к гипотетическому субмикронному элементу хранения/обработки спиновой информации будет приделана катушечка?

И вот как раз из материалов сообщения [1] в Science Express от 14 января сего года следует, что, кажется, можно обойтись без катушечки.

Согласно этому сообщению объединенная группа французских, британских и германских ученых создала элемент, управляющий поляризацией спина проходящих электронов. Элемент представляет собой модифицированный туннельный контакт с ферромагнитным металлом, который достаточно давно рассматривался как реальный элемент спинтроники [2]. В обсуждаемой работе исследователи пошли дальше и, по их утверждению, впервые создали устройство, в котором поляризация спинового тока через туннельный переход управляется электрическим полем. Схема устройства приведена на рисунке. Электрическое поле (~1В) прикладывается к тонкому слою (1 нм) сегнетоэлектрического материала – титаната бария, который и служит диэлектриком, образующим туннельный переход. Поляризация титаната бария управляется приложенным электрическим полем. На спин инжектируемого электрона электрическая поляризация диэлектрического слоя непосредственно не влияет, но, по-видимому, как-то взаимодействует с электронами в ферромагнитном металле, являющегося эмиттером туннельного тока. Поляризация туннельного тока детектируется по туннельному магнитосопротивлению. Авторы считают, что ключевым в обнаруженном эффекте является взаимодействие сегнетоэлектрика и ферромагнетика на интерфейсе. Последнее представляется весьма вероятным, т.к. вклад в туннельный ток дают электроны тонкого поверхностного слоя ферромагнитного металла, с толщиной порядка длины экранирования, что в данном случае должно быть порядка нескольких атомных слоев. В дальнейшем авторы намереваются исследовать аналогичные эффекты на интерфейсах других пар материалов.

Теперь, когда эффект обнаружен, “задним умом” понятно, что искать возможности управления спинами нужно именно на стыке материалов с большими электрической и магнитной восприимчивостями. Более того, природа припасла еще кое-какие материалы, в которых обе эти функция заложены изначально – т.н. мультиферроики. Возможно, они еще скажут свое слово в технике манипуляции спинами.

Источники

1. V. Garcia et al., Published Online January 14, 2010 Science DOI: 10.1126/science.1184028
2. ПерсТ 16, вып. 24, с.7 (2009).