Как спин электрона используется для хранения информации

Электрон — это элементарная частица, которая обладает рядом свойств, в том числе имеет электрический заряд. Как его можно использовать для хранения информации? Например, держать в себе заряд может конденсатор. Заряженный конденсатор интерпретируется как двоичная единица или ноль, это зависит от договоренности. Разряженный же конденсатор будет восприниматься противоположным образом.

«А теперь представьте себе целый массив таких конденсаторов: часть из них может быть заряжена, часть нет, и в результате у нас получается цепочка из нулей и единиц — таким образом мы смогли закодировать некую информацию. Этот же принцип используется при создании так называемой DRAM — динамической памяти с произвольным доступом», — объясняет Андрей Кудлис, один из авторов статьи, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО.

Планки оперативной памяти энергозависимы. Со временем заряд с конденсатора по различным физическим причинам начинает стекать. Поэтому необходимо постоянно проверять, чтобы он не упал ниже некоторого критического значения. Также сама запись связана с зарядкой и разрядкой данных конденсаторов, для чего на практике необходимо много времени и энергии.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи обратились к другому свойству электрона — спину. Спином, который был открыт еще в начале прошлого столетия, обладают и другие частицы. Это чисто квантово-механическое свойство частицы тесно ассоциировано с ее магнитным моментом. Помимо этого, сам спин квантован, то есть может принимать лишь дискретные значения, которые условно можно назвать «вверх» и «вниз», что с точки зрения приложения может трактоваться как бинарные единичка и нолик. Этот факт как раз и несет в себе потенциал для нужд хранения информации.

Однако работать только лишь с одним конкретным спином крайне трудно ― для удержания квантово-механического состояния рассматриваемой частицы нужны особые условия, в частности, сверхнизкие температуры.

Что такое намагниченность и как ее переключать

Чтобы уйти от этой проблемы, представим, что у нас есть некий макроскопический объект, который включает в себя достаточно большое количество частиц, обладающих магнитным моментов. Такая система будет характеризоваться уже некоторым макропараметром, называемым намагниченностью, которая представляет из себя объемную плотность магнитного момента вещества.

«Есть такие материалы — ферромагнетики, они обладают так называемой спонтанной намагниченностью, которая обусловлена взаимодействием спинов системы, а не присутствием внешнего магнитного поля. С их помощью тоже можно создавать определенные элементы памяти. В частности, магнитно-резистивную память: это своего рода слоистый пирог, состоящий из нанопленок. Например, две из них ферромагнитные, а посередине ― диэлектрическая. Но, в зависимости от того, как у слоев ферромагнетика ориентирована намагниченность, у слоя, расположенного посередине, будет разное электрическое сопротивление. Оно может быть огромным, а может быть, наоборот, очень низким», — говорит Андрей Кудлис.

Одно из важнейших преимуществ такой памяти — ее энергонезависимость, так как тут нет необходимости постоянно подводить энергию для поддержания определенной намагниченности.

Более того, у ферромагнитной памяти (например, по сравнению с флеш-памятью) нет ограничений, связанных с числом актов записи информации. У флеш-памяти каждая перезапись наносит небольшой урон соответствующей структурной единице носителя (транзистор с плавающим затвором), поэтому твердотельные диски со временем выходят из строя. У ферромагнетиков такой проблемы нет.

Итак, нижний слой может иметь постоянную намагниченность, а намагниченность верхнего слоя нужно уметь как-то переключать. Как это сделать? Например, в верхний слой ферромагнетика можно передавать ток поляризованных электронов.

«Если этот слой достаточно мал и если туда передавать ток поляризованных электронов, то он может изменить его намагниченность. То есть электронами переносится не только заряд, но еще и, например, передается поляризация. Таким образом, происходит переориентация намагниченности. Другой способ переключения намагниченности ― оптический. Вы берете лазер, который излучает поляризованный свет, и облучаете им образец. При определенных условиях намагниченность образца может быть переориентирована, таким образом чисто оптически мы можем повлиять на состояние ячейки памяти ― она будет иметь либо огромное, либо маленькое электрическое сопротивление», — продолжает Андрей Кудлис.

Как переключать намагниченность оптическим способом

Что же подразумевается под «определенными условиями»? Помимо ферромагнитных свойств, облучаемый образец должен обладать уникальным набор оптических характеристик. Одним из таких материалов является слоистый иодид хрома III (CrI3). Это, с одной стороны, прямозонный полупроводник, обладающий большой энергией связи и силой осциллятора, а с другой ― двумерный ферромагнетик изинговского типа.

«Такие оптические свойства помогают с легкостью разрешать конкретные пики в оптических спектрах, что, конечно же, крайне удобно с точки зрения приложения. Их комбинация с ферромагнитными особенностями данного материала позволяет менять ориентацию намагниченности оптическим образом. То есть мы начинаем светить лазерным излучением, которое обладает определенной поляризацией, и будем наблюдать, что в какой-то момент (что зависит, конечно же, от интенсивности накачки) намагниченность у этого материала переключается. Вот, пожалуйста, оптическое управление намагниченностью данного образца. Как это выглядит с точки зрения теории? В этом прямозонном полупроводнике при нерезонансной накачке могут создаваться некие эффективные комплексы, так называемые экситоны, представляющие из себя связанные электрон-дырочные пары. Они, в свою очередь, сами обладают неким эффективным спином. Мы будем разделять спин нашей электронной подсистемы — то есть обычных электронов и спин экситонов», — поясняет исследователь.

По словам Андрея Кудлиса, если представить двумерную структуру, то ее намагниченность, например, может быть усредненно направлена вниз. В случае, если на такой образец начать посылать свет с правой круговой поляризацией, то получается, что мы возбуждаем электроны с валентной зоны в зону проводимости, то есть создаем экситоны.

«Это приводит к созданию магнитного момента, который, если вы накачиваете достаточно сильно, может переориентировать намагниченность электронной подсистемы. И как раз этот механизм с помощью нашей модели мы и описываем», — отмечает Андрей Кудлис.