Учёные МФТИ, ВШЭ и Института физики твёрдого тела РАН, совместно с коллегами из Англии, Швейцарии и Китая изучили свойства тонкослойной гетероструктуры «платина — ниобий». Проведённые ими эксперименты и теоретические расчёты подтвердили, что при контакте со сверхпроводником в платине возникает спин, который можно использовать как носитель информации. Платина не обладает собственным магнитным моментом, что в перспективе даёт возможность создавать на базе новой структуры ещё более миниатюрные чипы, чем в «традиционной» спинтронике. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Одна из важнейших задач современной науки — создание новой элементной базы для устройств обработки данных. Существующие полупроводниковые технологии близки к своему пределу, всё чаще звучат опасения, что закон Мура, согласно которому количество транзисторов, которые можно разместить на одном кремниевом чипе, удваивается каждые два года, уже работает медленнее и вскоре окончательно прекратит существование. Это связано с чисто физическими ограничениями: невозможно создать транзистор размером меньше единичного атома. Следовательно, нужны устройства, которые будут работать на новых физических принципах.
Одним из перспективных подходов к этой задаче является сверхпроводниковая спинтроника. В отличие от электроники, здесь носителем информации будет не заряд электрона, а его спин, то есть ориентация оси вращения. Согласно принципу Паули, возможно два состояния: спин направлен вверх и спин направлен вниз, что даёт возможность соотнести одно из них с нулём, второе — с единицей и, таким образом, записывать информацию по битам. Чтобы такие приборы могли работать, необходимо уметь управлять направлениями спинов электронов, причём по возможности избегая тепловых потерь. В сверхпроводниках электроны двигаются без сопротивления, но делают это специфическим образом, объединяясь в куперовские пары. Спин одного электрона при этом направлен вверх, второго — вниз, суммарный же спин равен нулю, и информацию, закодированную в спине, такая конструкция переносить не может. Чтобы получить пары, где оба спина направлены вверх, традиционно используют структуры, где со сверхпроводником граничит тонкий слой ферромагнитного материала. Однако у этого подхода есть недостатки, и главный из них заключается в том, что из-за собственных магнитных полей в ферромагнетиках вычислительные элементы будут влиять друг на друга.
Ирина Бобкова, заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ, поясняет: «Мы решили подойти с другой стороны. Вместо ферромагнетиков взяли платину. Она не обладает собственным магнитным моментом. Поэтому мы можем изменять нужным нам образом спины электронов, прикладывая внешнее магнитное поле. Проведённые эксперименты доказали нашу правоту».
На основе созданных учёными платино-ниобиевых «бутербродиков» можно будет построить более компактные вычислительные устройства. Эксперимент показал, что при взаимодействии тонкого слоя платины со сверхпроводником в платину, благодаря эффекту близости, проникают куперовские пары. С помощью магнитного поля физики частично переориентировали спины электронов этих пар, таким образом доказав возможность передавать информацию.
В научную группу кроме учёных МФТИ входили их коллеги из ВШЭ, Института физики твёрдого тела РАН (Черноголовка), Университета Сент-Эндрюс и лаборатории Резерфорда Эпплтона (Великобритания), Института Пауля Шеррера (Швейцария) и Шанхайского университета Цзяо Тонг.
