В мире электроники одной из наиболее значительных проблем всегда было несовершенство материалов. Даже мелкие дефекты могут снижать эффективность устройств, повышать сопротивление и препятствовать прогрессу технологий нового поколения.
Группа ученых из Института технологий и инженерии материалов в Нинбо (Китайская академия наук) предложила совершенно другой подход к данной проблеме: выяснили, что с дефектами можно не только смириться, стремясь минимизировать их негативное влияние, но и использовать их в пользу. Более того, именно эти дефекты могут стать основой для создания нового класса сверхэкономичных спинтронных устройств.
Спинтроника — это область, которая выходит за рамки традиционной электроники. Обычные микросхемы функционируют только с электрическим зарядом электрона, но у него есть и другие квантовые характеристики. Среди них — спин, который можно воспринимать как крошечный встроенный «магнит» с ориентацией «вверх» или «вниз», а также орбитальный момент, описывающий движение электрона вокруг атомного ядра. Если удастся использовать все эти параметры, можно создавать память и процессоры, которые будут быстрее и компактнее привычных нам, и при этом потреблять значительно меньше энергии.
Долгое время основным препятствием для их создания являлись дефекты материала. На самом деле, такие дефекты могут оказаться полезными: иногда они упрощают «запись» данных в биты памяти за счет снижения потребляемого тока. Тем не менее, при этом увеличивается электрическое сопротивление, снижается спиновая холловская проводимость и возрастает общее энергопотребление. В спинтронике это считалось неизбежным компромиссом, но китайские инженеры нашли способ превратить эту слабость в преимущество.
Их новое исследование посвящено уникальному квантовому явлению — орбитальному эффекту Холла, который заставляет электроны двигаться в направлении, определяемом их орбитальным угловым моментом. В экспериментах ученые использовали оксид переходного металла — стронций рутенат (SrRuO₃), свойства которого можно точно настраивать.
Выяснили, что при правильном «инженерном» внедрении дефектов в материал возникает неожиданный эффект: одновременно усиливаются и проводимость орбитального тока, и так называемый угол Холла — параметр, который характеризует эффективность преобразования обычного тока в орбитальный. Для сравнения, в традиционных спинтронных системах рост одного параметра обычно приводит к снижению другого. Здесь же наблюдается своеобразный «двойной выигрыш».
Чтобы объяснить этот парадокс, авторы обратились к механизму орбитальной релаксации, схожему с релаксацией Дьяконова-Переля. Оказалось, что процессы рассеяния, которые обычно считаются негативными, на самом деле продлевают «жизнь» орбитального момента, тем самым усиливая ток.
То, что обычно разрушает систему, оказалось способом ее усилить.
Фото: hi-tech.mail.ru