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, ��отонов, 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 ��ффект Холла при комнатной температуре.
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 рабо��ать 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.
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 комнатн��й 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.
