Физики придумали, как управлять потоками спина без проводов

В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что если соединить два разных металла и нагреть место их спайки, в замкнутой цепи появляется электрическое напряжение. Так родилось термоэлектричество — область физики, изучающая прямое превращение разности температур в электрический ток и обратно. Эффекты Зеебека, а следом за ним Пельтье и Томсона легли в основу множества устройств — от термопар, измеряющих температуру, до твердотельных холодильников без единой движущейся детали, — а поиск все более эффективных материалов для них не прекращается уже больше века.

В нынешнем столетии у термоэлектричества появился близкий родственник — спиновая калоритроника. Ее идея в том, чтобы связать тепловой поток не с зарядом, а со спином — собственным моментом импульса частиц, тем самым «внутренним вращением», которое делает электрон крошечным магнитом. Выяснилось, что перепад температуры способен гнать через материал чистый спиновый ток — направленный поток магнитного момента, не сопровождаемый переносом заряда. В 2008 году такой спиновый эффект Зеебека впервые наблюдали в тонких пленках пермаллоя, а позже был открыт спиновый эффект Нернста, в котором спиновый ток течет уже поперек теплового градиента. У электронных платформ, однако, есть досадные ограничения: они греются из-за джоулевых потерь, нередко требуют криогенных температур и намертво связывают спин с зарядом, что мешает управлять превращением тепла в спин в чистом виде.

Все это давно подталкивало исследователей к поиску систем, в которых аналогичные эффекты возникали бы без нагревания из-за протекания тока.

Именно такой системой и стали экситонные поляритоны. Эти необычные квазичастицы рождаются, когда свет запирают между двумя зеркалами микрорезонатора и заставляют его особенно сильно «общаться» с веществом — с экситонами, парами из электрона и оставленной им дырки в полупроводниковых квантовых ямах. При сильной связи фотон и экситон перестают существовать порознь и сливаются в единое целое: получается квазичастица, которая обладает свойствами как света, так и материи. От своей световой половины поляритон наследует легкость и подвижность — он способен баллистически, то есть почти без столкновений, пролетать сотни микрометров даже при не самых низких температурах. От электрона он берет способность взаимодействовать с окружением и чувствовать магнитное поле.

Роль спина у поляритона играет поляризация света. Любое его состояние можно представить как смесь двух базовых — света, закрученного по кругу влево и вправо, то есть двух циркулярных поляризаций. Эту смесь физики описывают вектором, который называют псевдоспином: подобно стрелке компаса, он может смотреть в любую сторону и показывает, какая поляризация преобладает. Поведением псевдоспина управляет эффективное магнитное поле, которое зависит от величины и направления скорости поляритона. Складывается оно из двух частей. Первая связана с внутренним спин-орбитальным взаимодействием: волны разной поляризации (так называемые TE- и TM-моды резонатора) распространяются чуть по-разному, и это TE–TM-расщепление создает поле, направление которого зависит от того, куда летит поляритон. Вторая часть — зеемановское расщепление, возникающее во внешнем магнитном поле и разводящее по энергии две циркулярные поляризации; такое поле смотрит «из плоскости» резонатора, а его силу можно плавно регулировать величиной магнитного поля.

Особую роль в этой картине играет температура. Поляритонный газ почти никогда не находится в строгом тепловом равновесии, поэтому для него вводят эффективную температуру — меру средней кинетической энергии частиц. Замечательно, что эту температуру можно создавать и менять светом. При нерезонансной накачке лазер сначала рождает горячий резервуар экситонов, который подогревает кристаллическую решетку и сдвигает энергию свечения; локальный нагрев при этом достигает нескольких градусов Кельвина. Подбирая длину волны накачки или используя миниатюрные электрические нагреватели размером в микрометры, можно нарисовать на образце целый температурный ландшафт, например горячий бугор в центре, плавно остывающий к краям, и удерживать такой перепад на расстояниях в сотни микрометров. В горячих областях распределение поляритонов по импульсам становится шире, в холодных — у́же.

До сих пор спиновые явления в некогерентном, «обычном» поляритонном газе изучались куда меньше, чем их собратья в когерентных поляритонных конденсатах. И главное — ни один эксперимент и ни одна теория не описывали в таком газе спин-калоритронных эффектов. Седов и Кавокин восполнили этот пробел, построив последовательную кинетическую теорию того, как тепловой градиент рождает потоки частиц и псевдоспина, и предложив реалистичные эксперименты для их наблюдения. Результаты опубликованы в журнале npj Nanophotonics.

В основу модели физтехи положили плоский полупроводниковый микрорезонатор с квантовыми ямами под непрерывной нерезонансной оптической накачкой. В таком режиме в нем живет газ некогерентных поляритонов, которые баллистически разлетаются по плоскости резонатора, почти не сталкиваясь друг с другом. Движением каждой частицы управляет то самое эффективное поле — сумма TE–TM- и зеемановского вкладов, а поверх всего наложен плавный температурный профиль с максимумом в центре. Авторы проследили, как поляритоны, рожденные в каждой точке, летят вдоль своего импульса и постепенно «гаснут» за время своей короткой световой жизни.

Постановка задачи: на микрорезонатор наложен радиально спадающий профиль температуры T(r), а перпендикулярно его плоскости приложено однородное магнитное поле B. Показаны также схема двухцветной нерезонансной накачки и дисперсии двух поляритонных ветвей / © npj Nanophotonics

Если выключить оба расщепления, остается чистый оптический эффект Зеебека. Тепловой градиент уширяет распределение поляритонов по импульсам в горячем центре, создавая там избыток быстрых частиц, которые успевают улететь дальше, чем их медленные собратья на холодной периферии. Возникает направленный радиальный поток частиц — от горячего к холодному.

Стоит включить внешнее магнитное поле, и появляется оптический спиновый эффект Зеебека. Зеемановское расщепление разводит по энергии две циркулярные поляризации, и тепловой градиент начинает гнать уже спиновый ток — поток циркулярной поляризации.

Если же вместо магнитного поля оставить одно только TE–TM-расщепление, рождается оптический спиновый эффект Нернста — тепловой родственник знаменитого спинового эффекта Холла.

Спиновый ток отклоняется в сторону от теплового градиента и течет уже не вдоль него, а по азимуту — поперек перепада температуры.

Оптический спиновый эффект Нернста. Направление эффективного поля при одном лишь TE–TM-расщеплении, поляризационные эллипсы и карты линейной sX(r) и диагональной sY(r) поляризаций с наложенными полями псевдоспиновых токов JX(r) и JY(r) — характерная четырехлепестковая структура / © npj Nanophotonics

Самое интересное начинается, когда оба механизма работают вместе. Внешнее магнитное поле создает радиальный спиновый ток, а вот лежащее в плоскости TE–TM-поле, хотя само по себе и не разводит циркулярные поляризации, незаметно перенастраивает этот радиальный поток. Возникает то, что авторы назвали продольным оптическим спиновым эффектом Нернста.

Иными словами, чисто «угловое» поле способно не только ослабить, но и полностью обратить спиновый ток, рожденный магнитным полем.

Продольный оптический спиновый эффект Нернста. Эффективное поле при совместном действии TE–TM- и зеемановского расщеплений; зависимость радиальной компоненты псевдоспинового тока от силы TE–TM-расщепления и карты sZ(r) с полем тока JZ(r) / © npj Nanophotonics (Sedov & Kavokin, 2026)

Евгений Седов, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ, пояснил: «Главная мысль нашей теории проста: направление любого спинового потока целиком задается геометрией эффективного спин-орбитального поля, а температура и распределение частиц по импульсам определяют лишь его величину. Стоит зафиксировать симметрию этого поля, и она сама подсказывает, куда и как потечет спин. Поэтому четыре, казалось бы, совершенно разных эффекта оказываются ветвями одного дерева».

Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ, добавил: «Мы привыкли, что превращением тепла в полезный сигнал занимается электроника со всеми ее недостатками: нагревом, необходимостью охлаждения, жесткой связью спина с зарядом. Поляритоны позволяют делать то же самое светом, без проводов и без переноса заряда».

Практическая ценность результата в том, что он намечает путь к управлению спином и поляризацией без электрических контактов и без переноса заряда, а значит, и без сопутствующего нагрева. Работа закладывает фундамент для целого направления — спиновой калоритроники в гибридных системах света и вещества.