Efekt Rashby – nadzieja dla spintroniki?

Międzynarodowa grupa fizyków zademonstrowała rozszczepienie spinów w półprzewodnikowym materiale o wartości znacznie odbiegającej od dotychczas obserwowanych zjawisk. Pojawienie się tak dużego rozszczepienia spinowego, nazywanego dużym efektem Rashby (zjawisko rozszczepienia spinu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego) może zwiastować pojawienie się urządzeń spintronicznych działających w temperaturze pokojowej.

Spintronika – elektronika przyszłości

Zgodnie z przewidywaniami naukowców spintronika, nazywana także elektroniką spinową, może w przyszłości zrewolucjonizować przemysł informatyczny. Założeniem spintroniki jest wytwarzanie urządzeń wykorzystujących nie tylko ładunek elektryczny elektronu, ale także jego spin. Spin można traktować jako własny moment magnetyczny elektronu, którym, po umieszczeniu elektronu w zewnętrznym polu magnetycznym, możemy manipulować. Ze względu na fakt, że spin elektronu może być przełączany szybciej, niż wynosi czas związany z przepływem ładunku, urządzenia spintroniczne powinny działać znacznie szybciej oraz w istotnie niższych temperaturach, niż ich elektroniczne odpowiedniki.

Niestety, kontrolowanie pól magnetycznych w bardzo małej skali jest niezwykle trudnym przedsięwzięciem. Manipulowanie spinem elektronów odbywa się wobec tego poprzez wykorzystanie oddziaływania spin-orbita. W zjawisku tym, elektron poruszający się w polu elektrycznym „odczuwa” obecność pola magnetycznego, które oddziałuje z jego spinem. Prowadzi to do tak zwanego efektu Rashby, tj. rozszczepienia spinów skierowanych w górę oraz w dół. Efekt ten wedle przewidywań będzie kluczowym zjawiskiem wykorzystywanym w proponowanych urządzeniach spintronicznych. Na przykład projekt tranzystora spinowego zakłada proces wstrzykiwania pojedynczych elektronów, których spiny będą następnie kontrolowane za pomocą pola elektrycznego.

Efekt Rashby w temperaturze pokojowej

Efekt Rashby w dobrze zbadanych i szeroko stosowanych półprzewodnikach takich jak krzem, czy arsenek galu jest niestety zbyt mały, aby można było myśleć o zrealizowaniu takiego urządzenia w oparciu o te materiały. Jednakże dzięki grupie badawczej Phila Kinga z University of St Andrews w Wielkiej Brytanii oraz naukowców z Europy i Chin skonstruowanie tranzystora spinowego może okazać się całkiem realne. Wszystko to za sprawą znalezienia odpowiedniego materiału, który może sprawić, że występowanie silnego efektu Rashby i tym samym działanie urządzeń spintronicznych będzie możliwe i to nawet w temperaturze pokojowej. Selenek bizmutu, bo to o nim mowa, jest bardzo nietypowy, ponieważ jego wewnętrzna struktura zachowuje się jak półprzewodnik, zaś jego powierzchnia – jak metal. Takie materiały, nazywane izolatorami topologicznymi, są znane naukowcom od dziesiątków lat, ale ich wyjątkowe własności zostały odkryte dopiero kilka lat temu.

Zespół Kinga domieszkował powierzchnię selenku bizmutu, aby spowodować uwięzienie elektronów w dwuwymiarowej studni kwantowej. Następnie za pomocą techniki badawczej zwanej kątowo-rozdzieloną spektroskopią fotoemisyjną, usuwano elektrony z powierzchni próbki za pomocą światła o zadanej częstotliwości (efekt fotoelektryczny). W oparciu o pomiar energii i kąta padania wybitych elektronów możliwe było stworzenie obrazów odzwierciedlających strukturę elektronową badanej próbki. Analiza obrazów wykazała wystąpienie zjawiska rozszczepienia spinów (zobacz: zdjęcie powyżej).

Dziesięć razy lepiej

Badane próbki ujawniły ponad dziesięciokrotnie większe rozszczepienie spinów, niż w innych materiałach półprzewodnikowych, nawet w temperaturze przekraczającej 100 ^oC. „Bardzo duże rozszczepienie spinu, które udało się nam zaobserwować, powinno umożliwić skalowanie urządzeń spintronicznych, takich jak tranzystor spinowy, aż do nanometrowych rozmiarów i w ten sposób ułatwić ruch elektronów z jednej do drugiej strony urządzenia, bez rozpraszania i zmiany spinu elektronów”, powiedział King.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com