Наноморщины в 2D-материалах дали учёным самый точный контроль над спином за всю историю

Учёные из Университета Райса показали , что крошечные морщины в двумерных материалах могут использоваться для управления спином электронов с рекордной точностью. Это открытие открывает дорогу к созданию ультракомпактных и энергоэффективных спинтронных устройств , которые способны преодолеть пределы кремниевой электроники.

Современные процессоры и память работают за счёт электрического заряда, движущегося по кремнию. Но в будущем всё больше внимания уделяется спину электрона — квантовому параметру, который может принимать два состояния: «вверх» или «вниз». Такой подход, называемый спинтроникой, позволяет не только снизить энергопотребление вычислительных систем, но и повысить плотность хранения и обработки информации. Главная сложность здесь в том, что спиновое состояние очень нестабильно: при столкновениях электронов с атомами в материале информация быстро теряется.

Исследователи из группы профессора Бориса Якобсона обнаружили, что искривления в атомарно тонких материалах, таких как дителлурид молибдена, создают особую спиновую структуру — так называемую устойчивую спиновую спираль (persistent spin helix, PSH). В этих состояниях спин сохраняется даже при рассеянии электронов. В обычных материалах направление движения электрона связано со спином: если траектория меняется, изменяется и спиновое состояние. В PSH это ограничение снимается — спин остаётся стабильным, что делает возможной надёжную передачу информации.

Механизм связан с явлением флексоэлектрической поляризации. Когда двумерный материал изгибается, его верхний слой растягивается, а нижний сжимается, из-за чего положительные и отрицательные заряды смещаются относительно друг друга и возникает внутреннее электрическое поле. Электронные спины взаимодействуют с этим полем, формируя зоны, в которых они выстраиваются в спиральные структуры. Чем сильнее изгиб, тем ярче выражен эффект. В петельках и складках 2D-материалов спины начинают чередоваться между состояниями «вверх» и «вниз» всего на нанометровых масштабах.

В эксперименте на дителлуриде молибдена удалось добиться длины прецессии спина всего около 1 нанометра — это рекордное значение, которое в десятки раз меньше, чем в других известных материалах. Такой короткий интервал означает, что устройства на основе PSH можно делать предельно компактными.

Авторы отмечают, что в основе исследования лежала неожиданная идея: объединить квантовую физику и механику деформаций. Обычно эти дисциплины практически не пересекаются, но оказалось, что даже макроскопические изменения формы двумерных материалов напрямую влияют на глубинные квантово-релятивистские взаимодействия спина и ядер. Это даёт возможность проектировать новые экзотические спиновые текстуры и использовать их для развития спинтроники .

Работа проводилась при поддержке Управления военно-морских исследований США, Армейского исследовательского офиса, Национального научного фонда, Министерства энергетики и Министерства обороны США.