Ученые МФТИ, ВШЭ и Института физики твердого тела РАН, совместно с коллегами из Англии, Швейцарии и Китая изучили свойства тонкослойной гетероструктуры «платина — ниобий». Проведенные ими эксперименты и теоретические расчеты подтвердили, что при контакте со сверхпроводником в платине возникает спин, который можно использовать как носитель информации. Платина не обладает собственным магнитным моментом, что в перспективе дает возможность создавать на базе новой структуры еще более миниатюрные чипы, чем в «традиционной» спинтронике. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Одна из важнейших задач современной науки — создание новой элементной базы для устройств обработки данных. Существующие полупроводниковые технологии близки к своему пределу, все чаще звучат опасения, что закон Мура, согласно которому количество транзисторов, которые можно разместить на одном кремниевом чипе, удваивается каждые два года, уже работает медленнее и вскоре окончательно прекратит существование. Это связано с чисто физическими ограничениями: невозможно создать транзистор размером меньше единичного атома. Следовательно, нужны устройства, которые будут работать на новых физических принципах.
Одним из перспективных подходов к этой задаче является сверхпроводниковая спинтроника. В отличие от электроники, здесь носителем информации будет не заряд электрона, а его спин, то есть ориентация оси вращения. Согласно принципу Паули, возможно два состояния: спин направлен вверх и спин направлен вниз, что дает возможность соотнести одно из них с нулем, второе — с единицей и, таким образом, записывать информацию по битам. Чтобы такие приборы могли работать, необходимо уметь управлять направлениями спинов электронов, причем по возможности избегая тепловых потерь. В сверхпроводниках электроны двигаются без сопротивления, но делают это специфическим образом, объединяясь в куперовские пары. Спин одного электрона при этом направлен вверх, второго — вниз, суммарный же спин равен нулю, и информацию, закодированную в спине, такая конструкция переносить не может. Чтобы получить пары, где оба спина направлены вверх, традиционно используют структуры, где со сверхпроводником граничит тонкий слой ферромагнитного материала. Однако у этого подхода есть недостатки, и главный из них заключается в том, что из-за собственных магнитных полей в ферромагнетиках вычислительные элементы будут влиять друг на друга.
Ирина Бобкова, заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ, поясняет: «Мы решили подойти с другой стороны. Вместо ферромагнетиков взяли платину. Она не обладает собственным магнитным моментом. Поэтому мы можем изменять нужным нам образом спины электронов, прикладывая внешнее магнитное поле. Проведенные эксперименты доказали нашу правоту».
На основе созданных учеными платино-ниобиевых «бутербродиков» можно будет построить более компактные вычислительные устройства. Эксперимент показал, что при взаимодействии тонкого слоя платины со сверхпроводником в платину, благодаря эффекту близости, проникают куперовские пары. С помощью магнитного поля физики частично переориентировали спины электронов этих пар, таким образом доказав возможность передавать информацию.
В научную группу кроме ученых МФТИ входили их коллеги из ВШЭ, Института физики твердого тела РАН (Черноголовка), Университета Сент-Эндрюс и лаборатории Резерфорда Эпплтона (Великобритания), Института Пауля Шеррера (Швейцария) и Шанхайского университета Цзяо Тонг.
Лаборатория спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах входит в состав Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. Центр является базовой организацией кафедры фундаментальной и прикладной физики микро- и наноструктур ЛФИ МФТИ. Прийти на кафедру и начать учиться и заниматься исследованиями новых материалов и явлений сверхпроводимости можно как в бакалавриате, так и после поступления в магистратуру или аспирантуру ЛФИ МФТИ.
2
