Спинтроника представляет собой область науки, фундаментально близкую к электронике, однако ключевым отличием является механизм передачи самых простых квантов информации: вместо электрического заряда используются волны, обусловленные вращением электронов, то есть их спином. В настоящее время основным препятствием для глубокого изучения и практической реализации спинтронных эффектов является крайне малая продолжительность стабильного состояния спина электронов. Тем не менее исследователи из Института исследования нанотехнологий (Kavli Institute of Nanoscience) Технического университета Делфта (Нидерланды) разработали метод преобразования информации, закодированной в спине электронов, в соответствующий оптический сигнал, функционирующий при комнатной температуре.

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.

Для любознательных

Условно двухмерные материалы (2D-материалы), такие как графен, дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) и тригалогениды хрома, совершают революцию в микроэлектронике. Сегодня они объединяют две самые перспективные научные сферы: спинтронику (электронику на основе спина электрона) и нанофотонику (управление светом на наномасштабах).

На стыке света и спина: Условно двухмерные материалы меняют будущее технологий

Что такое условно двухмерные материалы?

Условно двухмерные материалы — это структуры толщиной всего от одного до нескольких атомов. Самый известный пример — графен. «Условность» заключается в том, что физически они существуют в трехмерном мире, но электроны внутри них могут двигаться только в двух направлениях.

Уникальность 2D-материалов в том, что их свойствами можно управлять с ювелирной точностью: слои можно комбинировать между собой, как конструктор LEGO (так называемые гетероструктуры Ван-дер-Ваальса), создавая материалы, которых не существует в природе.

Точка встречи: Спинтроника + Нанофотоника

Современные кремниевые процессоры упираются в физический предел: они сильно греются и потребляют много энергии. Решение лежит на стыке двух дисциплин:

• Спинтроника использует для кодирования информации не заряд электрона (есть ток / нет тока), а его спин — собственный момент импульса («вращение» вверх или вниз). Это позволяет передавать данные почти без выделения тепла и с огромной скоростью.
• Нанофотоника заменяет медленные электроны быстрыми фотонами (частицами света), позволяя передавать гигабайты данных мгновенно.

Где же связь? Двухмерные полупроводники (например, диселенид вольфрама \(WSe_{2}\)) обладают уникальным свойством — спин-долинной связью. Попадая на такой материал, лазерный луч с определенной поляризацией («закрученностью» света) может напрямую управлять спинами электронов. Свет генерирует спиновый ток, а спиновый ток управляет светом. Это открывает путь к созданию сверхбыстрых оптических и квантовых компьютеров.

Настоящее технологии: Мировые и российские тренды

В мире идет жесткая технологическая гонка за коммерциализацию 2D-материалов.

Мировой контекст

• Гибкая интеграция: Лаборатории в США, Европе и Азии (особенно в Китае и Южной Корее) научились интегрировать двухмерные слои с классическими кремниевыми чипами.
• Энергонезависимая память: Созданы первые прототипы спин-орбитальной памяти (SOT-MRAM) на основе 2D-материалов, которая работает в сотни раз быстрее современной флеш-памяти.
• Сверхкомпактные лазеры: Нанофотоника получила «атомные» лазеры — источники света толщиной в один молекулярный слой, необходимые для межчиповой оптической связи.

Ситуация в России

Российская наука исторически сильна в теоретической физике и материаловедении (достаточно вспомнить, что первооткрыватели графена Андрей Гейм и Константин Новоселов — выходцы из РФ). Сегодня исследования ведутся в ведущих научных центрах:

• Физтех (МФТИ) и ИФХЭ РАН: Физики активно исследуют оптические свойства ДПМ и создают новые методы синтеза ультратонких пленок.
• Университет ИТМО (Санкт-Петербург): Мировой лидер в области нанофотоники. Здесь успешно синтезируют двумерные перовскиты и изучают экситоны (связанные пары электрон-дырка), которые служат мостом между светом и спином.
• Академические институты (Новосибирск, Нижний Новгород): Ведутся работы по созданию отечественных установок молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для выращивания таких структур.

Основной вызов для России сегодня — это переход от фундаментальных лабораторных открытий к промышленному производству в условиях ограниченного доступа к зарубежному оборудованию.

Будущее технологии: Что нас ждет?

Ближайшие 5–10 лет определят, какие из лабораторных образцов станут частью нашей повседневной жизни.

В мире:

1. Оптические нейроморфные процессоры: Чипы, имитирующие работу человеческого мозга. Световые сигналы в 2D-гетероструктурах позволят мгновенно обучать искусственный интеллект при минимальных затратах энергии.
2. Квантовый интернет: Двухмерные материалы станут идеальными источниками одиночных фотонов и кубитов для защищенной квантовой связи.
3. Коммерческая спиновая память: Смартфоны и ноутбуки получат память, которая не тратит заряд батареи в режиме ожидания и не изнашивается со временем.

В России:

• Импортозамещение в микроэлектронике: Поскольку классическая кремниевая литография в РФ отстает от мировой, ставка на «посткремниевые» двухмерные технологии может стать шансом перешагнуть через технологическое поколение.
• Фокус на сенсорику: Ожидается появление сверхчувствительных отечественных газоанализаторов, медицинских датчиков и приборов ночного видения на основе спин-оптических 2D-систем.
• Создание локальных дизайн-центров: Развитие отечественного софта для моделирования квантовых свойств новых материалов.

Заключение

Условно двухмерные материалы — это не просто тонкие пленки, это фундамент для электроники будущего. Объединяя спинтронику и нанофотонику, они позволяют управлять материей на уровне единичных квантов и фотонов. Мир стоит на пороге технологического сдвига, и у российских ученых есть все шансы не просто быть наблюдателями, а стать одними из архитекторов этой новой реальности.