Российские учёные сделали прорывное открытие в области спинтроники

       Группа учёных, среди которых физики из МФТИ и Российского квантового центра, доказала возможность возбуждения магнитных вихрей, перспективных для электроники будущего – спинтроники, статья с теоретическими расчётами опубликована в Physical Review B. 

       Исследования в области спинтроники являются критически важными для развития современных технологий.

       В настоящее время неоспоримым является тот факт, что вскоре привычная нам полупроводниковая электроника прекратит своё бурное развитие согласно закону Мура (более того, уже есть первые предвестники этого). И, возможно, в будущем вся техника перейдёт на работу не с зарядами, а спинами частиц,практически не затрачивая энергию на их обработку и увеличив своё быстродействие в тысячи раз.

       Спин в качестве носителя единицы информации интересен тем, что его обработка (например, смена компьютерного 0 на 1 путем переворота спина) требует гораздо меньших затрат энергии и времени, чем аналогичная операция в современной электронике. За счет этого оперирующие спином электронов микросхемы будут меньше греться, и к тому же ряд расчётов показывает, что они окажутся менее чувствительны к радиации. Спинтроника имеет хорошие шансы вытеснить привычные нам устройства, но для этого учёным нужно вначале изучить множество вопросов как фундаментального, так и прикладного характера.

       Для спинтроники требуются новые способы хранения и обработки информации. Перспективными инструментами для этого являются магнитные вихри, которые можно использовать как для хранения информации (0 – закручен по часовой стрелке, 1 – против, или же 0 – ядро намагничено вверх, 1 – вниз), так и для её обработки – разные вихри по-разному взаимодействуют со спиновым током (это поток электронов, в котором доля электронов с определённым спином больше другой), что даёт возможность создавать сложные устройства вплоть до искусственных нейронных сетей. Кроме того, используя эти вихри, можно создавать наногенераторы переменного сигнала, которые могут в перспективе быть использованы в телекоммуникационных приложениях.

       Магнитные вихри – это микроскопические участки намагниченного вещества с особым расположением вектора намагниченности. В центре вихря вектор намагниченности ориентирован перпендикулярно поверхности, а по краям эти вектора образуют структуру, напоминающую вихрь или воронку.



Схема модельного устройства – вверху пластинка ферромагнетика пермаллоя, внизу - топологический изолятор селенид висмута. Изображение: P. N. Skirdkov et al. / Physical Review B, 2015

       Вектор намагниченности, в свою очередь, связан со спином, квантовой характеристикой отдельных частиц. Именно управление магнитными вихрями через спин или иначе, рассматривается учёными в качестве основы спинтроники. В спинтронике для хранения и обработки информации важно не перемещение электронов с места на место, не перетекание электрических зарядов – ключевую роль играет спин и перемещение электронов с определенным спином, спиновый ток. Информация может передаваться не зарядом, а спином, причём необязательно с переносом заряженных частиц куда-то – сами они могут оставаться на месте, но их спины будут поворачиваться, передавая информацию «по цепочке».