Scienty

Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН совместно с коллегами из других организаций разработали детектор спина электронов, применяя фильтр в виде нанометровой ферромагнитной пленки — наномембраны. Это первый в мире прибор, где детектирование спина электронов осуществляется посредством их фильтрации через наномембрану с передачей изображения в поляризованных электронах.

Принцип действия напоминает работу оптического поляризатора, используемого в солнцезащитных очках с поляризационными линзами. Если через ферромагнитную наномембрану пропускают неполяризованные электроны, то на выходе получатся поляризованные. Ученые установили мировой рекорд эффективности детектирования спиновой поляризации электронов с учетом пространственного разрешения. Для проверки эффективности спин-детектора был создан — также впервые в мире — спиновый триод, или спинтрон.

Спин-детектор будет применен в установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР/ARPES) станции «Электронная структура» Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Закупить спин-детектор за границей для СКИФ на данный момент не представляется возможным, а устройств, обладающих таким комплексным функционалом (детекция спина с пространственным разрешением), высокой эффективностью, низкой стоимостью и удобством использования, попросту нет.

Помимо ФЭСУР (ARPES), спиновой анализатор просто интегрировать, например, в электронные микроскопы для получения подробной информации о магнитных свойствах твердых тел. Технология, созданная при разработке спинтрона, может послужить толчком к развитию нового направления – вакуумной спинтронике.

Результаты сотрудничества исследователей Института физики прочности Сибирского отделения Российской академии наук, Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов», Новосибирского государственного университета и закрытого акционерного общества «Экран-ФЭП» опубликованы в научном журнале. Physical Review LettersРабота проводилась при финансовой поддержке Российской Федерации и администрации Новосибирской области (проект № 22-12-20024, р-9).

Статья удостоена почетного статуса «выбор редакции» благодаря особой значимости, новаторскому подходу и широкой востребованности. Редакция Physical Review Letters присуждает этот статус только одной из шести публикуемых статей, при этом всего лишь одна пятая всех поданных работ принимается к публикации.

Это первый в мире спин-детектор с пространственным разрешением. В нём в качестве основного функционального элемента используется спин-фильтр — ферромагнитная наномембрана. Эффективность нового устройства значительно выше, чем у существующих детекторов спина электронов. Не нужно разгонять исследуемые частицы до больших энергий, как это делается в самом известном спин-детекторе Мотта. Более того, прибор проводит измерения с пространственным разрешением, а значит способен собрать на несколько порядков больше данных за единицу времени. Срок службы исчисляется годами (коммерческие устройства со схожим функционалом требуют замены через 1-2 недели), а оценочная стоимость на порядки ниже доступных на рынке спин-детекторов, даже не имеющих пространственного разрешения. Поясняет первый автор статьи, руководитель научной группы, заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, ведущий научный сотрудник ЦКП «СКИФ» профессор РАН Олег Евгеньевич Терещенко.

Рекорд мира по определению спиновой поляризации электронов.

Спин – одна характеристика 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 100% спин-поляризованным. Отдельная задача — создать пучок поляризованных электронов, этому была… Ранние исследования ученых были посвящены… Также сложно точно определить поляризацию частиц — проще говоря, подсчитать, сколько электронов в пучке вращаются «вверх», а сколько «вниз».

Впервые осуществили эксперименты по измерению свойств двумерного спин-фильтра (ферромагнитной наномембраны) с помощью прямого изображения. Достигнуто рекордное значение эффективности регистрации спиновой поляризации электронов, учитывая пространственное разрешение. Разработанный спин-детектор повышает эффективность измерения спиновой поляризации в десять тысяч — миллион раз по сравнению с одноканальным спин-детектором Мотта. . Результаты важны для контроля и применения спин-поляризованных электронов и пучков в спектроскопических и микроскопических методах. Возможна более глубокая информация об исследуемом материале, его магнитных свойствах, а также выявление мелких изменений в структуре или составе. В микроскопии спин-поляризация позволяет получать высокоразрешающие изображения и изучать свойства отдельных атомов или молекул. продолжает Олег Терещенко.

Назад в будущее

Для испытания функционирования спин-детектора, конкретно его наномембраны из ферромагнитного материала, учёные создали вакуумный спин-триод. В качестве аналога вакуумной лампы — триода был использован данный спинтрон. .

В вакуумной лампе управляющая сетка регулирует поток электронов. В нашем приборе используется ферромагнитная наномембрана для управления селекцией по спину электронов. Это осуществляется не посредством электрического напряжения, а с помощью магнитного момента. Такая технология позволяет снизить энергопотребление, повысить частоту работы электронных устройств и увеличить объемы передаваемой, хранимой, обрабатываемой информации. Спинтрон состоит из… источника спин-поляризованных электронов Прибор основан на мультищелочном фотокатоде, контролирующем электроде — магнитной наномембране, обтянутой каналами микроканальной пластины, и люминесцентном экране в качестве регистрирующего электрода. добавляет ученый.

Развитие направления «вакуумной микроэлектроники» началось в 1980-х годах, обусловленное появлением полупроводниковых устройств с вакуумным зазором. «Back to the Future» (назад в будущее)Почему «назад»? Предыдущими устройствами для современных транзисторов были лампы, работающие в вакууме. Известны их недостатки по сравнению с полупроводниковыми транзисторами: громоздкость и высокое энергопотребление. Но имелись и преимущества — простота конструкции, легкая замена отдельных элементов, радиационная стойкость. И что очень важно: вакуум — идеальный диэлектрик. А диэлектрик — один из ключевых элементов при изготовлении современного транзистора.

В XXI веке нанотехнологии изменяют вакуумную микроэлектронику, превращая её в вакуумную наноэлектронику. Логичным следствием станет развитие вакуумной спинтроники. Вакуумная спинтронная наноэлектроника обеспечит более высокую скорость переключения электронных устройств, меньшие потери энергии, устойчивость к радиации и широкий диапазон рабочих температур.

Исследование позволило сделать первый шаг в создании элементной базы вакуумной спинтроники. Созданный спиновый триод (спинтрон) относится к приборам этой области. Вакуумная спинтроника — новое направление, которое группа начала развивать в мировом научном сообществе. Спинтрон — аналог вакуумной лампы, но управление осуществляется через воздействие на спин электрона, а не заряд, как в лампах прошлого века. комментирует О.Е. Терещенко.

Вперед — на СКИФ

Специалисты полагают, что новый спин-детектор с пространственным разрешением будет наиболее эффективным и простым в использовании среди существующих спин-детекторов для исследователей и пользователей метода АРПЭС, особенно при применении синхротронного излучения.

В нашей лаборатории ведут работы по интеграции наномембранного спин-детектор в установку фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Такое устройство позволит измерить распределение электронов по импульсу, энергии и трем компонентам спина, что даст полную информацию о законе дисперсии носителей заряда в кристаллах. Это важно для поиска и исследования свойств новых полупроводников, сверхпроводников, 2D-материалов, перспективных для электроники и спинтроники будущего.

Мы постоянно улучшаем свой детектор вращательного движения и ожидаем полного раскрытия его возможностей на станции «Электронная структура» Сибирского кольцевого источника фотонов. — резюмирует Олег Терещенко.

Источник информации и фото: пресс-служба ИФП СО РАН