Ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН вместе с коллегами из ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов», Новосибирского государственного университета, ЗАО «Экран-ФЭП» разработали детектор спина электронов, используя своеобразный фильтр, в качестве которого выступает ферромагнитная пленка нанометровой толщины — наномембрана. Это первое в мире устройство, где детектирование спина электронов происходит с помощью их фильтрации через наномембрану с передачей изображения в поляризованных электронах. Спин-детектор планируется установить на оборудовании станции «Электронная структура» первой очереди ЦКП СКИФ.
Спинтрон
Принцип действия нового детектора похож на оптический поляризатор, которым многие пользуются, надевая поляризационные солнечные очки. По аналогии: если через ферромагнитную наномембрану пропустить неполяризованные электроны, то на выходе получим поляризованные. Исследователи добились мирового рекорда эффективности в детектировании спиновой поляризации электронов с учетом пространственного разрешения. Для проверки эффективности спин-детектора был сделан, также впервые в мире, спиновый триод или спинтрон.
Спин-детектор будет использоваться на установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР/ARPES) станции «Электронная структура» СКИФ. Купить спин-детектор за рубежом для СКИФ сейчас невозможно, плюс устройств, сочетающих столь полный функционал, высокую эффективность, низкую стоимость и удобство использования, не существует. Кроме ФЭСУР (ARPES), спиновый анализатор сравнительно легко интегрировать, например, в электронные микроскопы, что позволит получать подробную информацию о магнитных свойствах твердых тел. Технология, созданная при разработке спинтрона, может дать толчок к развитию нового направления — вакуумной спинтроники.
«Это первый в мире спин-детектор с пространственным разрешением, в котором в качестве основного функционального элемента используется спин-фильтр — ферромагнитная наномембрана. Эффективность нового устройства значительно выше, чем у существующих детекторов спина электронов. При этом не нужно разгонять исследуемые частицы до больших энергий, как это делается в самом известном спин-детекторе Мотта. Более того, наш прибор проводит измерения с пространственным разрешением, а значит, способен собрать на несколько порядков больше данных в единицу времени. Его срок службы исчисляется годами (коммерческие устройства со схожим функционалом требуют замены через одну-две недели), а оценочная стоимость на порядки ниже доступных на рынке спин-детекторов, даже не имеющих пространственного разрешения», — поясняет руководитель научной группы, заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, ведущий научный сотрудник ЦКП СКИФ профессор РАН, доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко.
Мировой рекорд
Спин — одна из характеристик электрона, как масса или заряд. Он может находиться в одном из двух состояний: либо «спин-вверх», либо «спин-вниз». Если в пучке у всех электронов спины направлены в одну сторону, то пучок считается стопроцентно спин-поляризованным. Отдельная задача — создать пучок поляризованных электронов. Столь же трудно эффективно определять поляризацию частиц: упрощенно говоря, посчитать, сколько электронов в пучке со спином вверх, сколько со спином вниз.
«Мы впервые провели эксперименты по измерению характеристик двумерного спин-фильтра (ферромагнитной наномембраны) в режиме прямого изображения и получили мировой рекорд эффективности детектирования спиновой поляризации электронов с учетом пространственного разрешения. Разработанный спин-детектор позволяет увеличить эффективность измерения спиновой поляризации в десять тысяч — миллион раз относительно одноканального спин-детектора Мотта. Это важный результат с точки зрения контроля и использования спин-поляризованных электронов и электронных пучков в разных спектроскопических и микроскопических методиках. Появляется возможность узнать больше об исследуемом материале, его магнитных свойствах, обнаруживая мельчайшие изменения в структуре или составе. В том, что касается микроскопии, спин-поляризация может использоваться для получения изображений с высоким разрешением и для изучения свойств отдельных атомов или молекул», — продолжает Олег Терещенко.
Научная группа (слева направо): Олег Терещенко, Анастасия Микаева, аспирантка ИФП СО РАН, Владимир Голяшов, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
Назад в будущее
Для проверки работы спин-детектора, а именно его ферромагнитной наномембраны, исследователи изготовили вакуумный спин-триод (спинтрон), аналог вакуумной лампы — триода.
«В вакуумной лампе есть управляющая сетка, которая “отпирает” и “запирает” электроны (разрешает или нет протекание тока). В нашем приборе тоже своеобразная сетка — ферромагнитная наномембрана, но только с помощью нее мы управляем селекцией по спину. Пропускаем электроны с определенным спином не по запирающему напряжению, а по магнитному моменту. На переключение по спину можно тратить меньше энергии, увеличить частоту работы электронных устройств, а значит, и объемы передаваемой, хранимой, обрабатываемой информации. Спинтрон состоит из источника спин-поляризованных электронов на основе мультищелочного фотокатода, управляющего электрода — магнитной наномембраны, покрывающей каналы микроканальной пластины, и люминесцентного экрана в качестве детектируемого электрода», — добавляет ученый.
Направление «Вакуумная микроэлектроника» возникло в 1980-х в связи с появлением полупроводниковых устройств с вакуумным зазором. Это привело к появлению выражения back to the future (назад в будущее). Почему назад? Предшественником современных транзисторов были вакуумные лампы. Хорошо известны их недостатки по сравнению с полупроводниковыми транзисторами — громоздкость и высокое энергопотребление. Однако были и преимущества — простота конструкции, легкая замена отдельных элементов, радиационная стойкость. Вдобавок, что очень важно, вакуум — идеальный диэлектрик, а диэлектрик — один из ключевых элементов при изготовлении современного транзистора.
В XXI веке развитие нанотехнологий трансформирует вакуумную микроэлектронику в вакуумную наноэлектронику. Следующим логичным шагом будет развитие в сторону создания вакуумной спинтроники. Вакуумная спинтронная наноэлектроника может обеспечивать гораздо более высокие скорости переключения электронных устройств, меньшие потери энергии, устойчивость к радиации, широкий диапазон температур.
«В ходе исследования мы сделали первый шаг к созданию элементной базы вакуумной спинтроники, а уже созданный спиновый триод (спинтрон) можно отнести к классу приборов в этой сфере. По сути, вакуумная спинтроника — новое направление, которое наша группа начала развивать в мировом научном сообществе. Спинтрон — аналог вакуумной лампы с тем отличием, что в лампах прошлого века управление осуществлялось через заряд электрона, а созданный прибор управляется через воздействие на спин электрона», — комментирует Олег Терещенко
Вперед, на СКИФ
Ученые считают, что новый спин-детектор с пространственным разрешением должен стать самым эффективным и удобным среди спин-детекторов для исследователей и пользователей метода ФЭСУР (ARPES), особенно с использованием синхротронного излучения.
«Мы уже ведем работы по интегрированию наномембранного спин-детектора в нашу лабораторную установку фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, что позволит измерять распределение электронов по импульсу, энергии и трем компонентам спина. То есть получать полную информацию о законе дисперсии носителей заряда в кристаллах, что, в свою очередь, важно для поиска и исследования свойств новых полупроводников, сверхпроводников, 2D-материалов, перспективных для электроники и спинтроники будущего. Мы продолжаем совершенствовать наш спин-детектор и уверены, что в полной мере он себя проявит на станции “Электронная структура” Сибирского кольцевого источника фотонов», — резюмирует Олег Терещенко.
Детали совместной работы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters. Статье присвоен почетный статус «Выбор редакции» из-за особой значимости, новаторского подхода и широкой востребованности. Редакция Physical Review Letters отмечает таким образом только одну из шести публикуемых статей, при этом лишь одна пятая всех поданных работ принимается к публикации.
Исследование велось при поддержке Российского научного фонда и Правительства Новосибирской области (проект № 22-12-20024, p-9).
Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото Надежды Дмитриевой
