спиновый ток

Комната кривых зеркал: вы стоите в центре, а эхо вашего голоса возвращается с неожиданной стороны, усиленное и искажённое. Так и спиновые волны в тонкой магнитной плёнке, возбуждённые антенной, отражаются от дефектов и неровностей, создавая запутанную картину полей.

Каждый осциллятор несёт собственный компас, встроенный в кристаллическую решётку. Раньше спин-холловские наноосцилляторы, крошечные источники микроволн на спиновом токе, не могли обойтись без внешнего магнита: именно он задавал общую ось, вокруг которой колебалась намагниченность.

Толпа у входа в узкий коридор ведёт себя не так, как в просторном зале: одних прижимает к стенам, других выталкивает вперёд. Примерно то же происходит, когда вытянутая частица оказывается в жидкости, кишащей самодвижущимися гантелями. До сих пор было неясно, почему такая частица движется вдоль длинной оси быстрее, чем поперёк, и как плотность толпы влияет на её скорость.

В некоторых кристаллах электроны не размазаны равномерно, а выстраиваются в строгую шахматную доску: на одной клетке электронов больше, на соседней меньше. Такой узор называют зарядовым порядком, и долгое время его считали чем-то застывшим, вроде рисунка на морозном стекле. Но недавно выяснилось, что этот узор можно перевернуть, как магнитный порядок переворачивают импульсом тока.

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

Кристалл похож на город с разными улицами: по одним машины едут быстро и далеко, по другим — медленно и вязнут. В слоистом материале CrPS₄ магнитные волны, переносящие спин (собственный момент частицы), ведут себя так же. Вдоль одной оси кристалла они бегут в 2,2 раза быстрее и проходят в 2,7 раза дальше, чем вдоль другой.

В ультрахолодном облаке атомов, охлаждённом почти до абсолютного нуля, возникают области с разной ориентацией спинов — собственных моментов импульса частиц, которые можно представить как крошечные магнитики. Эти области похожи на участки с разной намагниченностью, а границы между ними называют доменными стенками.

Обычный электрический ток греет провода — это знает каждый, кто трогал зарядку телефона. Но есть ток иного сорта: в нём электроны не бегут толпой в одну сторону, а синхронно вращаются, словно фигуристы в парном катании. Такое согласованное вращение называют спиновым током, и оно почти не выделяет тепла.

Тонкий бутерброд из двух разных материалов. Через него пропускают электрический ток — и верхний кусочек намагничивается в одну сторону, а нижний в противоположную. Это не фокус, а слоевой эффект Эдельштейна (от английского layer Edelstein effect), который только что описали физики.

Когда физики прогоняют электроны по сверхчистому каналу арсенида галлия при гелиевых температурах, они рассчитывают увидеть послушную, почти идеальную жидкость. Но с ростом тока сопротивление начинает капризничать: на графиках возникают горбы и провалы, упрямо не укладывающиеся в простую ньютоновскую модель.

В некоторых кристаллах магнитные моменты атомов — их микроскопические «стрелки» намагниченности — колеблются согласованно, подобно волне, бегущей по трибунам стадиона. Эта спиновая волна переносит спин без перемещения электрических зарядов, а значит, почти не нагревает материал. Такое течение напоминает невидимую реку — бесшумное и холодное.

Кипящий суп в кастрюле — но каждая крупинка в нём не просто точка, а крошечный волчок, вращающийся вокруг своей оси. Таков мир частиц со спином 1. Например, некоторых короткоживущих мезонов, которые рождаются в столкновениях на ускорителях. Когда таких частиц очень много и они горячие, их коллективное поведение можно описать как течение особой жидкости.

Резиновый жгут растягивается и возвращается обратно. Стальная пружина сжимается и разжимается. Упругость кажется свойством простых вещей — куска металла или капли геля. Но авторы этой работы заглянули глубже. Они показали, что спин электрона — его собственное крошечное вращение — тоже может быть упругим.

Электрон, летящий сквозь газ, похож на пловца, который пытается пересечь оживлённый бассейн. Каждое столкновение с атомом меняет его курс и скорость. В плотном газе аргона таких столкновений так много, что простое описание перестаёт работать. Физики измерили подвижность электронов — насколько легко они дрейфуют под действием электрического поля.

В тонком слое жидкого кристалла — вещества, которое течёт как жидкость, но молекулы в нём выстроены в порядке, как в твёрдом теле, — рождаются вихри размером меньше толщины человеческого волоса. Эти вихри похожи на крошечные волчки: они могут двигаться, не разрушаясь, и ведут себя почти как настоящие частицы.

Электрон в обычном проводе — как курьер, который несёт и посылку, и подпись получателя одновременно: его заряд и спин всегда вместе. Но если провод сделать толщиной в один атом, курьеру становится тесно. В такой одномерной трубе электроны не могут обгонять друг друга, и их коллективное поведение меняется до неузнаваемости.

В большинстве магнитных материалов доменная стенка — граница между областями с разной намагниченностью — под действием тока движется в одну сторону, заданную направлением тока. Но в ферримагнетиках вблизи особой точки, где угловые моменты двух подрешёток компенсируют друг друга, поведение меняется.

Над поверхностью Солнца висят длинные ленты светящегося газа — стримеры. Они похожи на гигантские арфы, натянутые в короне. Когда по такой ленте пробегает волна, она дрожит и изгибается, как струна после щипка. Долгое время считалось, что такую волну может запустить только очень быстрый выброс вещества — тот, что летит со скоростью более 500 километров в секунду.

Вода в ручье не течёт ровным слоем: она промывает извилистые дорожки, где поток быстрее. Примерно так же ведут себя электроны в холловском двигателе — устройстве, которое толкает космический корабль струёй плазмы. Внутри двигателя магнитное поле удерживает электроны, а они ионизируют газ и создают тягу. Но часть электронов всё же утекает поперёк поля, снижая эффективность.

Нейтрино — крошечные частицы, которые пролетают сквозь Землю, почти не замечая её. В эксперименте MicroBooNE их ловят в баке с жидким аргоном. Когда нейтрино сталкивается с ядром аргона, рождаются электрон и протоны — как брызги от брошенного в воду камня. Учёные измерили, куда и с какой энергией летят эти частицы.

Ядро дейтерия, или дейтрон, можно представить как микроскопический волчок. Если распределение зарядов внутри него не идеально симметрично, то во внешнем электрическом поле этот волчок испытывает крошечный наклон оси вращения.

В обычном проводе тепло гонит электроны — это эффект Зеебека, знакомый по термопарам. Но в магнетиках всё хитрее: там носители тока имеют ещё и спин, то есть собственный «волчок».

Каждый электрон — как волчок: он крутится вокруг своей оси. Это вращение называют спином. В обычной электронике спин не используют — только заряд. А зря: если научиться управлять спином, чипы станут быстрее и экономичнее.

Обычная волна в магните похожа на рябь на воде: чем короче шаг волны, тем выше её энергия. Физики называют такие волны магнонами. Но в тонкой плёнке из висмут-иттриевого граната удалось создать волны с обратным поведением: их энергия падает с уменьшением длины волны. Это антимагноны. Плёнку поместили в установку, где свет рассеивается на волнах намагниченности.

Металлический шар — идеальная ловушка для световых волн. Многократно отражаясь от стенок, они интерферируют и образуют стоячие колебания — словно гребни на пруду, застывшие во времени. Каждому такому пространственному узору, или моде, уравнения Максвелла ставят в соответствие строго определённую частоту.

Квантовые вычисления предъявляют жёсткие требования к носителям информации. В кристаллической решётке алмаза — а точнее, в углероде с искусственно созданными дефектами — биты кодируются ориентацией микроскопических магнитных моментов, или спинов, локализованных на этих дефектах.

Кристалл Mn₃Si₂Te₆ при 78 К превращается в катушку индуктивности, которая не нуждается ни в медном проводе, ни в сверхпроводнике. Электроны внутри него сами организуются в замкнутые вихри с определённым направлением вращения — хиральные орбитальные токи.