Исследователи из Института физики твердого тела РАН, Московского физико-технического института и ВШЭ, в коллаборации с учеными из Великобритании, Швейцарии и Китая провели изучение свойств тонкослойной гетероструктуры типа “платина-ниобий”. Осуществленные в результате исследований эксперименты и теоретические оценки доказали обоснованность предположения о том, что при контакте с материлом в сверхпроводящем состоянии в образце платины создается спин, который можно применять в качестве носителя информации. При этом, платина не имеет собственного магнитного момента. Поэтому, в перспективе имеется возможность создания на базе открытой исследователями структуры чипов с меньшими размерами, чем предполагается в “стандартной” спинтронике. результаты исследований опубликованы в журнале Nature Communications.
Одна из важнейших задач современной науки — создание новой элементной базы для устройств обработки данных. Существующие полупроводниковые технологии близки к своему пределу, все чаще звучат опасения, что закон Мура, согласно которому количество транзисторов, которые можно разместить на одном кремниевом чипе, удваивается каждые два года, уже работает медленнее и вскоре окончательно прекратит существование. Это связано с чисто физическими ограничениями: невозможно создать транзистор размером меньше единичного атома. Следовательно, нужны устройства, которые будут работать на новых физических принципах.
Одним из перспективных подходов к этой задаче является сверхпроводниковая спинтроника. В отличие от электроники, здесь носителем информации будет не заряд электрона, а его спин, то есть ориентация оси вращения. Согласно принципу Паули, возможно два состояния: спин направлен вверх и спин направлен вниз, что дает возможность соотнести одно из них с нулем, второе — с единицей и, таким образом, записывать информацию по битам. Чтобы такие приборы могли работать, необходимо уметь управлять направлениями спинов электронов, причем по возможности избегая тепловых потерь. В сверхпроводниках электроны двигаются без сопротивления, но делают это специфическим образом, объединяясь в куперовские пары. Спин одного электрона при этом направлен вверх, второго — вниз, суммарный же спин равен нулю, и информацию, закодированную в спине, такая конструкция переносить не может. Чтобы получить пары, где оба спина направлены вверх, традиционно используют структуры, где со сверхпроводником граничит тонкий слой ферромагнитного материала. Однако у этого подхода есть недостатки, и главный из них заключается в том, что из-за собственных магнитных полей в ферромагнетиках вычислительные элементы будут влиять друг на друга.
Ирина Бобкова, заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ, поясняет: «Мы решили подойти с другой стороны. Вместо ферромагнетиков взяли платину. Она не обладает собственным магнитным моментом. Поэтому мы можем изменять нужным нам образом спины электронов, прикладывая внешнее магнитное поле. Проведенные эксперименты доказали нашу правоту».
На основе созданных учеными платино-ниобиевых «бутербродиков» можно будет построить более компактные вычислительные устройства. Эксперимент показал, что при взаимодействии тонкого слоя платины со сверхпроводником в платину, благодаря эффекту близости, проникают куперовские пары. С помощью магнитного поля физики частично переориентировали спины электронов этих пар, таким образом доказав возможность передавать информацию.
В научную группу кроме ученых МФТИ входили их коллеги из ВШЭ, Института физики твердого тела РАН (Черноголовка), Университета Сент-Эндрюс и лаборатории Резерфорда Эпплтона (Великобритания), Института Пауля Шеррера (Швейцария) и Шанхайского университета Цзяо Тонг.
Справка:
Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) был образован в соответствии с постановлением Президиума Академии наук СССР от 15 февраля 1963 года № 159 как Институт физики твердого тела в составе Отделения физико-математических наук АН СССР. Целью организации Института являлось обеспечение оптимального сочетания фундаментальных исследований в области физики конденсированного состояния и физического материаловедения. Решающий вклад в формирование задач и принципов организации ИФТТ РАН сделали выдающиеся ученые: академик Г.В. Курдюмов, академик Ю.А. Осипьян и член-корреспондент Ч.В. Копецкий. Главным на протяжении всей истории Института всегда было непрерывное развитие и поддержание творческой атмосферы в коллективе, атмосферы взаимоуважения, порядочности и научного сотрудничества, что является заслугой директоров Института. В разные годы ИФТТ РАН возглавляли академик Г.В. Курдюмов (1963 – 1972), академик Ю.А. Осипьян (1972 – 2002), академик В.В. Кведер (2002 – 2017), в настоящее время работой Института руководит член-корреспондент РАН А.А. Левченко. Приказом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации от 07 апреля 2021 года № 265 Институту присвоено имя академика Юрия Андреевича Осипьяна.
Идеи основателей успешно развивались сотрудниками Института, сформировались всемирно известные научные школы, созданные академиками Ю.А. Осипьяном, В.Б. Тимофеевым, В.Ф. Гантмахером.
В настоящее время ИФТТ РАН – активно развивающийся академический институт, специализирующийся в области физики конденсированного состояния, физического материаловедения и высоких технологий. Методические возможности ИФТТ РАН и квалификация сотрудников позволяют проводить почти все виды исследований в области физики твердого тела на уровне мировых стандартов. Институт является признанным лидером в таких научных направлениях, как магнитооптика полупроводников, поверхностные, двумерные и мезоскопические структуры, твердооксидные топливные элементы, сверхпроводимость, аморфные, нанокристаллические и композитные материалы, жаростойкие материалы, рост кристаллов и др. Результаты фундаментальных исследований представляют интерес для микроэлектронной промышленности, предприятий приборостроения, систем безопасности, авиационной и космической отрасли, медицины и т.д.
Грамотно выстроенная научно-организационная конфигурация Института позволяет своевременно выявлять перспективные результаты фундаментальных и теоретических исследований и реализовывать их в передовых технологиях и новых материалах. Полученные в ИФТТ РАН материалы (монокристаллы переходных металлов, полупроводниковые, диэлектрические, сегнетоэлектрические, нелинейные, сверхпроводящие материалы, сцинтилляционные, ферромагнитные кристаллы, фуллериты, композиционные материалы и т.д.) используются в исследованиях, выполняемых как в самом Институте, так и в других научных и технологических центрах в России и за ее пределами, и могут найти применение в новой технике.
В Институте работали и работают выдающиеся ученые – академики, члены-корреспонденты, доктора и кандидаты наук, чьи достижения отмечены Государственными и Международными наградами и премиями.
Структура Института включает 19 лабораторий, в том числе 2 молодежные лаборатории, созданные в рамках национального проекта «Наука и университеты» и 5 производственных отделов. В ИФТТ РАН работает более 250 научных сотрудников, из которых 8 членов РАН (4 академика РАН и 4 члена-корреспондента РАН), член-корреспондент академии криптографии РФ, 53 доктора наук и более 120 кандидатов наук.
Коллектив Института продолжает успешно развивать идеи своих основателей. Залогом успеха является сочетание колоссального опыта старшего поколения с энергией и энтузиазмом молодых ученых.
Подготовка кадров высокой квалификации ведется в ИФТТ РАН по нескольким направлениям: на базовых кафедрах, в собственной магистратуре и аспирантуре. На базе института созданы кафедра МФТИ физики твёрдого тела, кафедра МФТИ квантовые наноструктуры, материалы и устройства, кафедра физики конденсированных сред НИУ ВШЭ, кафедра Астраханского государственного университета и образовательная специализация ВШЭ «Водородная энергетика». В институте проходят практику студенты МГТУ им. Баумана и НИТУ МИСиС.
Автор новости: АНАСТАСИЯ МЕДВЕДЕВА
Источники: https://zanauku.mipt.ru/, https://www.ras.ru/
