В последние десятилетия исследования спинтроники, технологии, использующей спиновые состояния частиц для хранения и обработки информации, неуклонно движутся к новым рубежам. Новое исследование, проведенное российскими и китайскими учеными, открывает возможность реализации когерентного оптического спинового эффекта Холла (OSHE) при комнатной температуре, что может кардинально изменить наше представление о спинтронных устройствах. Научная работа была опубликована в журнале Nature Materials.
Экситонные поляритоны — это квантовые объекты (жидкий свет), представляющие собой суперпозицию материальных квазичастиц, экситонов (связанных электронов и дырок) и квантов света, фотонов, помещенных в специальные полупроводниковые микрорезонаторы. Эти уникальные частицы обладают спиновыми свойствами, что делает их идеальными кандидатами для передачи спиновых токов на большие расстояния.
С момента своего возникновения в начале XXI века, спинтроника привлекла внимание ученых благодаря своей способности потенциально превзойти традиционные электронные технологии. Однако из-за сложной природы взаимодействий спинов и быстрой спиновой релаксации реализация спиновых вычислительных устройств оказалась затруднена. Ранее исследования показывали, что энергетические расщепления, связанные с симметрией кристаллов, препятствуют стабильному потоку чистого спинового тока. Если носителями спина являются поляритоны, при создании приборов следует учитывать сильное эффективное магнитное поле в поляритонных микрорезонаторах, которое быстро вращает спин поляритонов, что затрудняет использование спинового тока. Однако использование сверхтекучей поляритонной жидкости, формирующейся в органико-неорганической гибридной микрополости FAPbBr₃ с изотропной кубической кристаллической структурой, устраняет эту проблему, позволяя получать высоко когерентные спиновые токи. Спины в такой структуре переносятся сверхтекучими потоками поляритонов, что позволяет также решить проблему быстрого рассеяния из-за тепловых флуктуаций, позволяя работать спинтронному устройству при комнатной температуре.
Команде исследователей из МФТИ, университета Циньхуа (Пекин) и Вестлэйк (Хангжоу) удалось впервые продемонстрировать оптический спиновый эффект Холла при комнатной температуре.
Рисунок 1. Иллюстрация оптического спинового эффекта Холла, предсказанного теоретически А. В. Кавокиным, М. М. Глазовым и Г. Мальпешем в 2005 году. Кольцеобразное распределение поляритонов по скоростям, генерируемое линейно поляризованным резонансным лазерным пучком (красная линия) и распределение магнитного поля, вызванное расщеплением электромагнитных мод TE–TM (синие и серые стрелки соответственно). Эффективное магнитное поле действует на экситонные поляритоны, создавая сильный спиновый ток. Источник: журнал Nature Materials.
Ученые также реализовали два инновационных спинтронных устройства: логический вентиль NOT и спин-поляризованный светоделитель. Логический вентиль способен изменять правую круговую поляризацию спина на левую и наоборот, а светоделитель разделяет линейно поляризованный свет на два луча с противоположными спинами. Эти устройства могут работать на сверхбыстрой пикосекундной шкале времени, значительно опережая современные электрические устройства, которые работают на наносекундной шкале времени. Наносекунда — это одна миллиардная доля секунды, а пикосекунда еще в тысячу раз меньше. Это значит, что такие спинтронные устройства смогут работать в тысячу раз быстрее современных электронных.
Рисунок 2. Схема логического вентиля спинтронного, НЕ основанного на распространении поляритонов. Источник: журнал Nature Materials.
Рисунок 3. Схема спин-поляризованного светоделителя. Когда линейно поляризованный входной луч попадает в микрополость, он разделяется на два луча с противоположными спинами. Разделение происходит за счет рассеяния поляритона на потенциальном барьере, образованном узлом кристаллической решетки или специально введенными примесями. Источник: журнал Nature Materials.
Физики осуществили как теоретические расчеты, так и экспериментальные исследования. Теоретические расчеты заключались в решении двухкомпонентного управляемо-диссипативного уравнения Шредингера, которое описывает движение поляритонов. Моделирование включало расчет спиновых компонентов волновой функции и изучение влияния случайного потенциала на спиновые состояния. Это способствовало более глубокому пониманию процессов, происходящих в потоках поляритонов, и позволило предсказать, как они могут быть использованы в спинтронных устройствах.
Следствием моделирования явилось предсказание того, что частицы жидкого света могут распространяться баллистически, сохраняя когерентное состояние. Эксперимент показал, что при комнатной температуре без разрушения своего состояния поляритоны могут пролететь до 60 микрометров, что более чем достаточно для использования их в спинтронных устройствах как переносчиков спинового тока. Подтверждено это было с помощью наблюдения интерференционных полос.
Кроме того, теоретические расчеты предсказывали, что состояние спина частиц жидкого света колеблется вдоль пути его распространения, что позволяет управлять им и инвертировать поляризацию с помощью использования магнитного поля.
Описанный эффект был экспериментально продемонстрирован при помощи лазерного возбуждения сверхтекучего потока поляритонов. Когда линейно поляризованный лазерный луч возбуждал микрорезонатор, спиновые состояния поляритонов формировались в зависимости от направления их угловых моментов. Наблюдаемый эффект позволяет эффективно управлять направлением спиновых токов и использовать их для вычислений.
«Очень приятно, что китайские коллеги реализовали экспериментально эффект, предложенный нами 19 лет назад, и создали два первых прибора на основе оптического спинового эффекта Холла. В дальнейшем планируется использовать электронно-лучевую литографию и управляемые магнитные поля для разработки более сложных спинтронных схем. Введение двух управляющих световых лучей с нелинейным взаимодействием поляритонов может реализовать дополнительные логические операции, что откроет путь к созданию полностью оптических логических схем на основе кристаллов, — объясняет Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ. — Полностью оптические логические схемы смогут обеспечить высокую скорость обработки данных при низком потреблении энергии, что особенно важно в эпоху больших данных и искусственного интеллекта. Благодаря этому, мы можем ожидать не только повышения производительности современных вычислительных систем, но и появления новых инновационных приложений в области квантовых вычислений, обработки информации и передачи данных. В конечном счете это может привести к созданию более компактных, мощных и устойчивых к внешним воздействиям устройств, которые смогут изменить подход к дизайну и архитектуре будущих компьютерных систем».
Данная работа представляет собой значительный шаг вперед в области спинтроники и поляритоники. Ученые открыли новые горизонты для практического применения экситонных поляритонов при комнатной температуре, что может привести к революционным изменениям в технологиях, которые мы используем каждый день.
