Гейм пустил ток через графен

Группа нобелевского лауреата Андрея Гейма обнаружила новые уникальные свойства графена в магнитном поле, которые можно использовать в электронике будущего — спинтронике. Спинтроника, возможно, придет на смену «тяжелой» и энергозависимой электронике, так как она дает возможность хранить и передавать информацию, используя не заряд электрона, а его спин.

Коллектив ученых под руководством профессора Университета Манчестера Андрея Гейма, получившего в 2010 году Нобелевскую премию за открытие графена, опубликовал новую работу, посвященную исследованию свойств этого уникального материала. У большей части соавторов статьи, опубликованной в журнале Science, русские фамилии, однако все они работают не в России, а в группе Гейма в Манчестере, среди них и второй лауреат Нобелевской премии Константин Новоселов. Только у Сергея Морозова, многолетнего коллеги Гейма и Новоселова, в качестве второго места работы указан Институт проблем технологии микроэлектроники (ИПТМ) в Черноголовке. В работе также приняли участие исследователи из Японии, США и Нидерландов, где долгое время работал Гейм.

Работа посвящена намагничиванию графена с помощью электрического тока — потока электронов.

Результаты исследования потенциально могут стать важным прорывом в области технологий спинтроники. В отличие от электронных устройств, где кодирование информации производится с помощью управляемого изменения заряда, в спинтронике задействована возможность хранить и передавать информацию с помощью управляемой ориентации спина — внутреннего углового момента импульса электрона, одной из его квантовых характеристик.

Сегодня в мире существуют сенсоры и устройства памяти, использующие возможности спинтроники. В принципе каждый жесткий диск снабжен магнитным сенсором, который эксплуатирует свойства спина. Однако пока спинтроника не может сравниться с электроникой по объемам использования: не решена важнейшая задача — управлять спином электрона с помощью электрического тока. Самим током человек научился легко управлять — на этом основана работа микроэлектронных устройств, полупроводниковых транзисторов.

Сейчас возможность управления спином показана только для материалов, в которых происходят так называемые спин-орбитальные взаимодействия. В них очень слабые магнитные поля, созданные ядрами, влияют на движение электронов через кристалл. Сам эффект столь тонок, что «поймать» и регулировать его очень сложно. Соответственно, его практическое использование невозможно.

Группа Гейма обнаружила новый путь «сцепления» спина и заряда — приложение относительно слабого магнитного поля к графену.

Ученые показали, что такое поле создает поток спина в направлении, перпендикулярном потоку электрического тока, намагничивая графеновый слой.

Этот эффект похож на спин-орбитальное взаимодействие, но он более заметен, и его можно регулировать, варьируя приложенное внешнее магнитное поле.

Исследователи пошли дальше и показали, что графеновый слой, размещенный на подложке нитрида бора, — очень перспективный материал для спинтроники, так как индуцированный магнетизм в такой системе распространяется на макроуровне без сильного угасания.

Гейм считает, что это открытие позволит улучшить имеющиеся сегодня спинтронные устройства и создать новые, в том числе революционные спиновые транзисторы. Именно такие транзисторы могут стать основой «электроники нового поколения» — более дешевых, сверхбыстрых и экономичных устройств обработки и хранения информации. Если спиновый транзистор, эффективно работающий при стандартных условиях и рентабельный в производстве, будет создан, это будет новая технологическая революция, по масштабам сравнимая с созданием классического полупроводникового транзистора в середине прошлого века.

«Святой грааль» спинтроники — это конверсия электричества в магнетизм и наоборот. Мы предложили новый механизм, который возможен только в уникальных условиях графенового слоя. Я думаю, что многие направления спинтроники выиграют от этого открытия.

Не удовлетворившись тем, чего им уже удалось достичь, Гейм и его коллеги сегодня показали новый, совершенно неожиданный квантово-механический эффект в графене. Это открытие — начало новой главы в богатой истории графена», — считает Антонио Кастро Нето, профессор физики из Университета Бостона, которого журнал Science попросил написать комментарий к статье Гейма.