Такие вот новости!

Согласно теореме Нётер, каждой симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения (к примеру, закон сохранения импульса вытекает из условия однородности пространства). Опираясь на эту теорему, физики сформулировали закон сохранения спиновой поляризации электронов, который соответствует инвариантности преобразований относительно направления спина; для электронов в твердом теле, впрочем, необходимая симметрия нарушается за счет спин-орбитального взаимодействия.

Общий вид слагаемых Рашмы и Дрессельхауза (вверху) и спиновая волна. Электроны показаны в виде зеленых сфер, а направления их спинов обозначены стрелками (изображение из журнала Nature).

Недавно теоретики высказали предположение о том, что упомянутый закон должен выполняться при рассмотрении двумерного электронного газа. Группа ученых из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) экспериментально подтвердила догадку своих коллег и одновременно значительно продвинулась в плане практической реализации идей спинтроники: исследователи продемонстрировали возможность управлять спиновым состоянием группы подвижных электронов в полупроводнике. «В нашем эксперименте упорядоченные по спину электроны стартуют в точке А и получают определенную свободу действий, но в конечной точке Б ориентация спина у всех частиц вновь оказывается одинаковой», — объясняет ведущий автор работы Джейк Коралек (Jake Koralek).  

По своей сути спин-орбитальное взаимодействие представляет собой взаимодействие свободных электронов, которые перемещаются по кристаллической решетке полупроводника, с электрическими полями встреченных атомов; вследствие этого спины частиц принимают разные направления. Параметры спин-орбитального взаимодействия в экспериментах ученых определялись двумя слагаемыми: членом Рашмы H_R и членом Дрессельхауза H_D (см. рисунок; вопросы вывода соответствующего гамильтониана взаимодействия подробно рассматриваются в статье, опубликованной в журнале «Физика и техника полупроводников»). Величиной обоих слагаемых можно манипулировать; как прогнозировали ученые, для реализации закона сохранения необходимо обеспечить равенство указанных членов.

Для проверки своих предположений экспериментаторы создали двумерный электронный газ, заключив электроны в так называемую «квантовую яму» — потенциальную яму, образованную слоем арсенида галлия толщиной в несколько нанометров. Попавшие в такую область заряженные частицы перемещаются строго в одной плоскости.

Величина члена Рашбы определяется результирующей напряженностью электрического поля, созданного в пространстве квантовой ямы. Управлять напряженностью же можно путем введения в структуру полупроводника примесных атомов. «Атомы примеси замедляют движение электронов, поэтому мы постарались вывести их за пределы квантовой ямы, — рассказывает г-н Коралек. — Легирован, таким образом, оказался полупроводник, служивший подложкой. Изменяя концентрацию примеси в полупроводнике на противоположной стороне ямы, мы настраивали конфигурацию поля».

Значение члена Дрессельхауза, напротив, определяется физическими размерами ямы (толщиной слоя арсенида галлия) и скоростью движения электронов. Ученые создали несколько вариантов квантовых ям, выбрав тот, который обеспечивал наилучшее согласование членов Рашбы и Дрессельхауза.

На заключительной стадии эксперимента исследователям было необходимо каким-то образом задать направление спина всей заключенной в яме группе частиц и пронаблюдать за тем, как система будет эволюционировать. Для решения этой задачи ученые применили титан-сапфировый лазер, одновременно «поразив» образец двумя импульсами фемтосекундной длительности. Пучки были направлены под определенным углом друг к другу; интерференция излучения привела к тому, что спины электронов оказались ориентированы вверх или вниз в соответствии с тем, какую именно круговую поляризацию имело воздействовавшее на них излучение.  

«Управляя спин-орбитальным взаимодействием, вы можете контролировать направление и скорость вращения электронов, — утверждает Джон Коралек. — Мы добились того, что все частицы вращались в одной плоскости, а ориентация их спинов изменялась периодически с частотой, определяемой скоростью частицы». В такой конфигурации сохраняющимися величинами являются амплитуда и фаза образующейся волны спиновой плотности; необходимо также отметить, что полученное учеными состояние фиксировалось на длительное время. Дальнейшее совершенствование методики эксперимента должно позволить еще увеличить время жизни этого состояния.

Полная версия отчета ученых опубликована в журнале Nature, а препринт статьи доступен для скачивания на сайте arXiv.  

Подготовлено по материалам Science Daily.

( http://science.compulenta.ru/416376/ )