Подводя итоги ушедшего года, популярный журнал Scientific American в первом ряду наиболее ярких научных событий поместил достижения в области новой и очень перспективной технологии, которая получила уже свое официальное наименование - спинтроника (spintronics или Spin Transport Electronics как его определяют в агентстве DARPA).

Действие всех до сих пор существовавших электрических и электронных приборов основано на манипулировании токами заряженных частиц - электронов. Отсюда и привычное всем название - электроника. Обычная электроника вполне всех устраивала (и достижения в этой области очевидные), пока характерные компоненты - от спирали электроутюга до транзисторов в микрочипах процессоров - были достаточно велики, и законами микрофизики можно было пренебречь. Но в последние годы наблюдается настоящий прорыв в область нанотехнологий, где характерные размеры компонентов оказываются сопоставимыми с размерами молекул или с дебройлевской длиной волны электрона. А это делает необходимым учет специфических законов микромира и использование совершенно новых возможностей, которые открываются перед исследователями.

Одна из них связана с тем, что электрон - это не просто заряженная частица. Это частица, обладающая такой особой квантовой характеристикой, как спин - внутренний момент количества движения и связанный с ним магнитный момент. Замечательно, что электрон может находиться в двух спиновых состояниях, которые условно называются "спин вверх" и "спин вниз". Им соответствует собственное "вращение" электронов по часовой стрелке или против нее. А это значит, что они самой природой предназначены для кодирования битов информации. Одно состояние может кодировать 1, второе - 0. Управление спиновыми состояниями электронов позволило бы создать сверхмалые логические элементы и - в перспективе - компьютерные компоненты с огромным быстродействием, малым энергопотреблением и большой информационной емкостью.

Рождение спинтроники датируют 1998 годом, когда в совместном заявлении Bell Labs и Йельского университета была сформулирована задача создания устройств, в которых информацию хранили бы атомы вещества, а биты кодировались электронными спинами. Сегодня исследованиями в области спинтроники заняты лаборатории многих университетов и крупнейших компьютерных корпораций, а в отрасль поступают огромные инвестиции. В настоящее время разработана технология повышения емкости жестких дисков с использованием спиновых магнитных свойств электронов. К 2004 г. Motorola и IBM планируют выпуск нового типа энергонезависимой магнитно-резистивной памяти M-RAM. В целом же, как предполагается, на освоение нового направления потребуется около двадцати лет, когда станет возможным производство карманных компьютеров с мощностью современных суперкомпьютеров.

Это пока, так сказать, квази-квантовое использование спина. Но у спинтроники есть и более захватывающая перспектива. Дело в том, что благодаря квантовым свойствам электроны могут существовать не только в состояниях со спином "вверх" и "вниз", но и во множестве промежуточных состояний, зависящих от энергии системы. Это, в свою очередь, позволит в будущем реализовать идеологию высокопараллельных квантовых вычислений.

Первый успех тут был достигнут уже в 1998 г. группой под руководством Брюса Кейна из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии (Nature, 1998, Vol. 393, P. 133-137). Им удалось построить первый твердотельный квантовый компьютер на основе кристалла кремния. Цель исследований - совместить существующие технологии производства микроприборов и идеологию квантового компьютинга. Квантовые биты реализовывались с помощью спинов ядер фосфора, внедренного в изотопно чистый кремний, и управлялись посредством комбинации статического магнитного, статического электрического и радиочастотного магнитного полей. Посредничали во взаимодействии двух ядерных спинов электроны, которые и выполняли логические операции. Полученные результаты были скромные: 1- и 2-кюбитные взаимодействия спинов. Но они продемонстрировали принципиальную возможность построения твердотельного спинового квантового компьютера.

Ушедший год принес спинтронике новые достижения. Так, группе Сергея Ганичева из Университета Регенсбурга (Германия) удалось создать спин-поляризованный электрический ток в полупроводниковых слоях (Phys. Rev. Let., 2001, Vol. 86, P. 4358-4361). Для этого было применено редко используемое свойство материалов с так называемыми "квантовыми карманами" (quantum well): асимметрии в кристаллической решетке приводят к тому, что электроны с противоположными спинами приобретают противонаправленные ненулевые скорости. Такие электроны в достаточном количестве испускаются под действием лазерного излучения с круговой поляризацией, падающего на поверхность "сандвича" из полупроводников разных типов. Меняя направление поляризации света, ученым удалось добиться обращения спинового тока, а значит, открытый метод может быть использован для создания логических переключателей.

В июне 2001 г. другой группе под руководством Дэвида Ошалома из Калифорнийского университета в Санта Барбаре также удалось вызвать спиновый ток между двумя полупроводниками p- и n-типов (Nature, 2001, Vol. 411, P. 770-772). При этом было обнаружено, что если упорядочить спины группы электронов и затем с помощью электрического поля направить их на смежный полупроводник, то спиновое упорядочивание будет сохраняться достаточно долго даже при комнатной температуре. Образуется своего рода спиновый резервуар. Но полный переносимый таким образом спин может иметь свойства как резервуара, так и смежного полупроводникового слоя. С помощью внешнего электрического поля оказывается возможным переключение между этими двумя режимами. Ученые полагают, что их открытие будет иметь технологическое применение. В декабре им удалось усовершенствовать разработанную ими методику управления спиновыми токами. Важность этого открытия заключается в том, что управление спинами осуществлено с помощью электрического, а не магнитного поля, что очень важно именно для создания нового типа устройств, необходимых при построении будущих мощных компьютеров.

Во всяком случае, воображение исследователей рисует захватывающие перспективы уже на скорое будущее.

Сергей САНЬКО