Условно двухмерные материалы позволили создать комбинацию спинтроники и нанофотоники

Спинтроника — это область, родственная электронике, только в ней для передачи информации используется не электрический заряд, а волны, обусловленные вращением электронов, их спином. К сожалению, спин электронов может находиться в стабильном состоянии лишь очень короткое время, что препятствует дальнейшему изучению и практическому использованию спинтронных эффектов. Исследователи из Института изучения нанотехнологий (Kavli Institute of Nanoscience) Технического университета Делфта (TU Delft), Голландия, нашли работающий при комнатной температуре способ преобразования информации, представленной в виде спина электронов, в соответствующий оптический сигнал. В данной работе использовалась комбинация принципов спинтроники и нанофотоники, а ключевым моментом, позволившим создание такой комбинации, стало использование условно двухмерных материалов.

Созданное учеными устройство очень просто, оно состоит из двух компонентов, тончайшей серебряной нити и слоя двухмерного материала, дисульфида вольфрама. Один конец серебряной нити прикреплен к небольшому кусочку пленки дисульфида вольфрама, которая имеет толщину в четыре атома. Используя циркулярный поляризованный свет, ученые создали в этом материале квазичиастицы, экситоны, имеющие определенное направление вращения заключенного в них электрона.

Экситоны состоят из электронов, которые «выпрыгнули» со своего места под воздействием фотона света и вращаются вокруг возникшей на их месте положительно заряженной электронной дырки. Как и любая физическая система, в которой заключена избыточная энергия, экситон стремится вернуться в самое низкоэнергетическое исходное состояние. И когда электрон переходит на более низкую орбиту, сближаясь с электронной дыркой, экситон излучает фотон света. Этот фотон содержит в себе информацию о спине электрона, но в обычных условиях он излучается экситоном в совершенно случайном направлении.

При создании устройства ученые использовали открытый ранее необычный эффект. В момент, когда свет проходит вдоль нанопроводника, возникает вращающееся электромагнитное поле, направление вращения которого зависит от того, с какой стороны от нанопроводника проходит свет. «Мы использовали это явление в качестве «комбинации к замку», позволяющей упорядочить направление излучения света экситоном» — пишут исследователи, — «В нашем устройстве свет излучить могут только те экситоны, спин которых совпадает с направление электромагнитного поля нанопроводника. И при этом, излучаемый ими свет всегда направлен параллельно нанопроводнику».

Проведенные эксперименты показали, что спин-информация, заключенная в излученных фотонах света, передается в правильном направлении в 90 процентах случаев. Это уже позволяет получить достаточно уверенный оптический сигнал, который можно усилить и передать на большое расстояние. Благодаря тому, что все это работает при комнатной температуре, достаточно просто изготовить оптоэлектронную схему, использующую данную функцию. «Для работы нашего устройства не требуется движения потока электронов и не выделяется никакого тепла» — пишут исследователи, — «Поэтому разработанный нами способ является самым эффективным с энергетической точки зрения способом передачи информации».

Данное достижение открывает путь к практическому объединению миров спинтроники и нанофотоники. Это, в свою очередь, может стать в будущем основой новых принципов и технологий обработки и передачи информации на наноразмерном уровне.