Нанокольцо в луче терагерцового света: спиновый переключатель без проводов

Российский физик Р. Назмитдинов, сотрудник Лаборатории теоретической физики имени Боголюбова (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна), показал, что крошечное полупроводниковое кольцо способно работать спиновым переключателем, которым управляет свет — точнее, терагерцовое излучение.

Речь идет о кольце радиусом всего 200 нанометров из полупроводникового материала InGaAs — такое кольцо в сотни раз тоньше человеческого волоса. По нему могут двигаться электроны, и у каждого электрона есть собственный магнитный момент — спин. В кольце действует так называемое спин-орбитальное взаимодействие Рашбы: движение электрона и его спин оказываются связаны, из-за чего спин «поворачивается» по мере движения. Это давняя идея спинового транзистора, которую в 1990 году предложили Супромик Дотта и Бишодж Дас, но до практических устройств она до сих пор не дошла.

Главная новость в том, что переключать такое устройство можно без проводов и без магнитного поля — просто облучая кольцо нерезонансным терагерцовым светом. Свет с частотой около 6 мэВ «одевает» электроны: они перестают реагировать на каждое отдельное колебание поля и начинают вести себя так, будто находятся в новом, усреднённом потенциале. Математически это описывается формализмом Флоке–Магнуса, а физически приводит к тому, что у электрона появляется дополнительная «пондеромоторная» энергия — своеобразный оптический тормоз. Чем интенсивнее свет, тем сильнее меняется эффективный импульс электрона и тем сильнее сдвигается интерференционная картина.

Ключевой элемент схемы — асимметрия кольца: верхнее и нижнее плечи относятся как 3:1. Если бы кольцо было симметричным, свет сдвигал бы фазы в обоих плечах одинаково, и разность фаз не менялась бы. Асимметрия делает разность фаз чувствительной к интенсивности излучения. Второй ключевой элемент — ферромагнитные контакты на входе и выходе, намагниченные в плоскости кольца. Из-за взаимодействия Рашбы спиновые компоненты электрона на выходе оказываются в противофазе, и при проецировании на ферромагнитный коллектор одна конфигурация контактов полностью запирается, а противоположная становится идеально прозрачной. Получается чисто фазовый механизм переключения: ток модулируется не фильтрацией амплитуд, а интерференцией спиновых фаз.

Автор подробно разбирает, как это выглядит в цифрах. При интенсивности излучения около 71 Вт/см² аргумент модуляции достигает первого нуля функции Бесселя J₀, и упругий транспортный канал полностью блокируется — наступает режим «закрытого затвора». Отношение сигнал/шум при этом падает до минус 60 дБ. Но самое интересное, что максимальная эффективность модулятора достигается вовсе не в этой точке запирания, а при гораздо меньших интенсивностях — до 5 Вт/см², где устройство обладает сверхвысокой чувствительностью к внешнему полю. Именно малые мощности делают схему практичной: не нужно нагревать электронику до предела.

Отдельно автор оценивает, насколько реально создать нужное поле в лаборатории. Полупроводник имеет высокую диэлектрическую проницаемость, и поле в среде ослабляется. Но если кольцо поместить в субволновый зазор между металлическими контактами шириной 400 нм, эта конфигурация работает как плазмонная антенна и усиливает локальное поле примерно в 5,8 раза. С учётом такого усиления нужные условия достигаются при вполне умеренных интенсивностях 65–75 Вт/см², тогда как без антенны потребовались бы мощности на два порядка выше — с риском перегрева и потери когерентности.

Устройство устойчиво к температуре вплоть до 100 милликельвинов: тепловая энергия там меньше ширины резонанса, а ширина резонанса меньше расстояния между уровнями размерного квантования. Это гарантирует, что квантовая интерференция не размывается тепловым хаосом. Важно и то, что в отсутствие магнитного поля кольцо само по себе не создаёт спиново-поляризованный ток — мешает теорема Крамерса, согласно которой вероятности прохождения для противоположных спинов строго равны. Вся спиновая поляризация возникает именно на ферромагнитных контактах, то есть это чисто интерференционный эффект, а не какое-то нарушение симметрии внутри кольца.

Практический смысл работы в том, что такая схема открывает путь к когерентным терагерцовым спинтронным логическим устройствам: быстрым, бесконтактным и энергоэффективным. Переключение происходит за счёт изменения интенсивности или частоты света, а не за счёт пропускания тока через управляющий электрод, что сулит меньше нагрева и большее быстродействие. Пока это теоретическая модель с реалистичными параметрами, но она показывает, что спиновый транзистор Дотты–Даса можно перевести в оптический режим — и управлять спином светом, а не магнитным полем.

Результаты работы опубликованы в журнале «Письма в ЖЭТФ».

Изображение на обложке: разработано Magnific