Ученые НИТУ «МИСиС» в составе международного исследовательского коллектива впервые продемонстрировали существование в антиферромагнетиках так называемого зеемановского спин-орбитального взаимодействия. Открытие может лечь в основу действия электронных приборов нового поколения. Исследование было опубликовано в журнале npj Quantum Materials.
Носитель тока в металлах и полупроводниках — электрон — имеет две фундаментальных характеристики: электрический заряд и магнитный момент, или «спин». Заряд позволяет управлять движением электрона и лежит в основе действия большинства современных электронных приборов. Спин же, в отличие от заряда, является не только фундаментальной характеристикой, но и квантовой степенью свободы. И вот уже довольно давно ученым и инженерам во всём мире не даёт покоя идея создания нового поколения электронных приборов — таких, которые, наравне с зарядом электрона, использовали бы его спин. Эта область исследований — одновременно фундаментальных и прикладных, получила название «спинтроники» (spintronics). В перспективе спинтронные устройства позволят значительно увеличить скорость передачи информации и плотность ее записи на носители. Ожидается, что такие устройства, в силу их двухкомпонентной природы, найдут применение в квантовых компьютерах будущего.
При этом создание подобных приборов требует углублённого понимания явлений, связывающих спин электрона с его перемещением в пространстве — так называемого «спин-орбитального взаимодействия». Во многих соединениях спин-орбитальное взаимодействие оказывается слабым или требует использования тяжёлых элементов, порождающего дополнительные трудности. Одним из путей преодоления этих трудностей могло бы стать использование антиферромагнитных проводников: уже довольно давно было предсказано, что в таких веществах магнитное поле должно порождать спин-орбитальное взаимодействие весьма необычной природы. Это явление должно происходить от так называемого эффекта Зеемана, т.е. от расщепления квантовых уровней электрона в магнитном поле. Дополнительное технологическое преимущество зеемановского спин-орбитального взаимодействия состоит в том, что его силу можно регулировать, меняя приложенное магнитное поле. Однако, до недавнего времени никаких экспериментальных подтверждений этому явлению не было.
В своей работе международный исследовательский коллектив с участием профессора НИТУ «МИСиС» Павла Григорьева впервые в мире экспериментально доказал существование зеемановского спин-орбитального взаимодействия. Более того, эффект удалось продемонстрировать в двух очень разных веществах: в органическом сверхпроводнике и высокотемпературном сверхпроводнике, принадлежащем к важному семейству рекордсменов высокотемпературной сверхпроводимости (купратов). Структура, физика и механизмы антиферромагнетизма в этих веществах совершенно различны, что демонстрирует универсальный характер зеемановского спин-орбитального взаимодействия. В то же время, каждое из этих двух соединений представляет фундаментальный интерес, поскольку большинство существующих в настоящий момент квантовых вычислительных систем используют сверхпроводящие элементы.
Столь же фундаментальный интерес представляет и само явление зеемановского спин-орбитального взаимодействия. «Продемонстрированный в нашей работе механизм может быть заметно сильнее обычного спин-орбитального взаимодействия, что открывает перспективы разработки электронных приборов принципиально нового типа — например, использующих возбуждение спиновых переходов переменным электрическим, а не магнитным полем», — поясняет Павел Григорьев, профессор кафедры Теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС», старший научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН.
