Спинтроника - относительно новое направление исследований и разработок, предвиденное уже в известном докладе Ричарда Фейнмана 1959 года "Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики" (www.zyvex.com/nanotech/feynman.html)¹. Основная идея этого направления состоит в том, чтобы научиться манипулировать спином электрона (или другого квантового объекта) с такой же точностью, с какой современная электроника манипулирует с его зарядом. Напомню, что спин - особая квантовая характеристика микрообъекта, которая не имеет классического аналога. Его можно сравнить с неким внутренним вращением. А поскольку электрон - частица заряженная, это внутреннее вращение превращает электроны в микромагнитики, которые могут находиться в двух различимых состояниях, которые описываются как состояние со "спином вверх" и состояние со "спином вниз". Им соответствует собственное "вращение" электронов по часовой стрелке или против нее. А это, в свою очередь, означает, что спин вполне подходит для нужд информационного процессинга.

Априори понятно, что манипулировать спинами можно с помощью внешних магнитных полей, в отличие от манипулирования зарядами, осуществляемого с помощью электрических полей. Исследования показали, что в первом случае имеет место значительно меньшее тепловыделение. Именно это обстоятельство, прежде всего, сделало спинтронику перспективной альтернативой микроэлектроники, поскольку постоянное повышение производительности микропроцессоров делает проблему энергопотерь и отвода тепла критической для всей отрасли. Развитые спинтронные технологии позволили бы не только создать высокопроизводительные процессоры нового типа, энергонезависимую память большой емкости, но и построить действующие прототипы квантовых компьютеров, в частности, твердотельных.

В последние годы были проведены обнадеживающие эксперименты с использованием различных материалов и техник. Не удавалось лишь включить в число перспективных материалов кремний. А ведь он - очень распространенный элемент, технология получения качественных кремниевых пластин - основа микроэлектроники - отработана до мелочей. Вот этими-то преимуществами кремния и решили воспользоваться физики из университета штата Делавэр, и о своем успехе сообщили в недавнем выпуске журнала "Nature" (17 мая).

Им впервые удалось разработать технику такого впрыскивания электронов в кремний, при котором спины электронов имели тенденцию ориентироваться, скорее, в одном, чем в другом направлении. Для этого они использовали трехслойную структуру, состоящую из слоя алюминия, который и являлся источником электронов, слоя ферромагнитного материала и кристалла чистого кремния. Электроны испускались алюминием с равновероятным распределением по спиновым состояниям. Однако ферромагнетик блокировал электроны с одним из направлений спина и пропускал в кремний электроны с противоположным направлением спина.

Правда, в описанном в "Nature" эксперименте преобладание спина одного из направлений составило всего 1 процент при температуре 85 К. Для реальной спинтроники это слишком мало - требуется чистый поток спина одного направления. Но руководитель группы Ян Аппельбаум уверен, что уже в ближайшем будущем им удастся значительно улучшить результат и даже получить желаемый эффект при комнатной температуре.

Сергей САНЬКО

1 "Компьютерные вести" уже неоднократно обращались к этой теме (см. №№ 1'2002, 21'2002, 11'2003, 9'2004).