Топологический изолятор и полупроводник открывают дорогу к спинтронике

В работе, опубликованной в Nature Communications, исследовательская команда из шведского Университета Линчёпинга сделала первый шаг к переносу спин-ориентированных электронов между обычным полупроводником и топологическим изолятором, недавно открытым состоянием материи с уникальными электрическими свойствами. Спинтроника обещает большие преимущества по сравнению с обычными электроники, включая пониженное энергопотребление и более высокая скорость. С точки зрения электронной проводимости, материалы подразделяются на три категории: проводники, полупроводники и изоляторы. Исследователи недавно обнаружили экзотическую фазу материи, известную как «топологический изолятор», который является диэлектриком внутри, но проводником на поверхности. Одним из наиболее интересных свойств топологических изоляторов является то, что электрон летит в определенном направлении вдоль поверхности материала по направлению спина. Это свойство, известное как «блокировка спинового момента» («spin-momentum locking» в оригинале) делает топологические изоляторы перспективными для спинтроники. Однако, ключевой вопрос заключается в том, как генерировать и манипулировать спином поверхностного тока в топологических изоляторах.

«Поверхность топологического изолятора подобна хорошо организованной разделенной магистрали для электронов, где электроны, имеющие один спин, движутся в одном направлении, а электроны с противоположным спином — в обратном направлении. Они могут путешествовать быстро без столкновений и без потери энергии», — рассказал один из участников исследования, Юйкин Хуан (Yuqing Huang). Авторам удалось сгенерировать электроны с одинаковым спином в арсениде галлия (GaAs), широко используемом в электронике полупроводнике. Для этого они использовали свет с круговой поляризацией, в котором электрическое поле вращалось по / против часовой стрелки. Спин-поляризованные электроны затем переносились из GaAs в топологический изолятор теллурид висмута (Bi2Te3), для получения однонаправленного электрического тока на поверхности. В ходе эксперимента впервые удалось проконтролировать ориентацию спина электронов, направление и силу тока в теллуриде висмута, причём без приложения внешнего электрического напряжения, продемонстрировав потенциал эффективного преобразования световой энергии в электричество. Полученные результаты важны для конструирования новых устройств спинтронки, использующих взаимодействие света и вещества (эта технология носит название «оптоспинтроники»). «Мы объединяем превосходные оптические свойства арсенида галлия с уникальными электрическими свойствами топологического изолятора. Это дало нам новые идеи для проектирования оптоспинтронных устройств, которые могут быть использованы для эффективного и надежного хранения информации, обмена, обработки и чтения в будущих информационных технологиях», — говорит профессор Чэнь Вэйминь, который возглавлял исследование.

 

Leave a Comment