спинтроника

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.

Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике.

Дверной замок с двумя разными ключами: один проворачивается легко, другой требует заметного усилия. Так ведут себя два слоя гексагонального нитрида бора, когда их поворачивают друг относительно друга. Этот материал состоит из атомов бора и азота, уложенных в шестиугольную сетку, и его слои могут лежать в разных положениях, как две одинаковые решётки, сдвинутые на разный угол.

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.

Скирмион — это магнитный вихрь, напоминающий миниатюрный водоворот в море, где вместо воды закручена намагниченность материала. Эти структуры рассматриваются как перспективные ячейки памяти в компьютерах будущего, но для записи и чтения информации необходимо уметь перемещать каждый вихрь по отдельности.

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.

Два листа графена — тончайшие слои углерода толщиной в один атом — уложены как хлеб в бутерброде. Между ними — намагниченный слой CrSBr (сульфобромид хрома). Когда через такой сэндвич пропускают ток, сопротивление зависит от того, куда смотрят магнитные моменты в среднем слое.

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.

Одиночный атом эрбия, закреплённый на серебряной подложке, хранит квантовую информацию в своём спине — собственном моменте импульса электрона, который можно представить как внутреннее вращение. До недавнего времени для переворота этого спина требовался магнитный импульс — грубый инструмент, который воздействует на соседние атомы и работает медленно.

Квантовый провод — это скоростная магистраль, где электроны несутся плотным потоком. У каждого электрона есть собственное внутреннее вращение — спин, — и до сих пор считалось, что разделить этот поток на две полосы, для «левого» и «правого» вращения, без потери квантовой упорядоченности почти невозможно. Нужны были либо сильные магниты, либо сложные трюки с потерей энергии.

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.

Каждый атом в магните — как крошечная стрелка компаса. Эти стрелки могут крутиться в разные стороны, и от их коллективного танца зависят свойства всего материала. Но рассчитать этот танец напрямую, атом за атомом, — задача неподъёмная даже для суперкомпьютеров. Новая модель под названием STEP берёт на себя роль дирижёра.

Паркет, где каждая вторая дощечка повёрнута в противоположную сторону, выглядит симметричным. Но если провести рукой, в одном направлении пальцы скользят по волокнам, а в другом — цепляются. Примерно так устроен новый тип магнетизма, который изучали в кристалле AgCrP2S6. В этом слоистом материале атомы хрома выстроены в длинные цепочки — как нитки бус.

Книга открыта на середине. По корешку бежит ток, а страницы остаются холодными. Примерно так устроен двумерный топологический изолятор — материал, где электричество течёт только по краям, а внутренность неподвижна.

Некоторые материалы внутри устроены как лента Мёбиуса — их электронные состояния закручены особым образом. Такие топологические свойства обычно пытаются менять мощным магнитным полем, словно пытаясь разгладить ленту кувалдой. Группа исследователей нашла более тонкий инструмент.

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — кубит — должен играть свою партию точно и вовремя. Обычно музыкантов рассаживают на фиксированные места и соединяют проводами-пультами. Но что, если позволить им свободно передвигаться по сцене, а само движение превратить в часть музыки?

Любой измерительный прибор ограничен квантовым шумом — фундаментальной дрожью элементарных частиц, вытекающей из принципа неопределённости Гейзенберга. Чтобы подавить эту дрожь, физики применили к молекулам фторида кальция метод квантового сжатия. Его идея напоминает сжатие воздушного шарика: надавите в одном месте — он выпятится в другом.

Квантовая частица, пробегая по замкнутому кольцу, оставляет на своём пути две разные «записи». Первая — словно отпечаток пальца на дверной ручке: он остаётся неизменным, сколько бы раз вы ни поворачивали ручку, и говорит только о форме и материале.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

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.

Расчёска, проведённая по волосам, притягивает клочки бумаги. Этот простой трюк физики решили применить на микроскопическом уровне — для управления магнитными вихрями, которые называют скирмионами. Скирмион похож на крошечный смерч в море намагниченности: в его центре стрелки компаса смотрят вверх, а по краям закручиваются вниз. Так получается стабильный узел, который не распутывается сам собой.

Магнитный вихрь, или скирмион, похож на крошечный водоворот в море спинов — собственных магнитных моментов атомов. Как воронка в реке, он закручивает намагниченность вокруг себя, и этот узор оказывается очень стойким: его трудно разрушить случайной встряской.

В куске обычного магнетика все электронные спины — крошечные магнитные стрелки — смотрят в одну сторону. Это строй солдат, повёрнутых лицом к командиру. Такой порядок называют коллинеарным альтермагнетиком.

В крошечном магните информация записана не в том, куда смотрит стрелка, а в том, как чередуются направления его атомов. У антиферромагнетиков эти стрелки компенсируют друг друга, поэтому снаружи материал кажется немагнитным. Запись есть, но прочитать её обычным способом нельзя: состояние как записка, написанная невидимыми чернилами.

Среди магнитов есть тихие мастера перевоплощений. Обычный магнит притягивает скрепки и имеет два полюса — север и юг. А есть материалы, которые внутри устроены как магнитная шахматная доска: их атомы выстроены в строгом порядке, но снаружи материал ведёт себя нейтрально, как будто магнита нет вовсе. Такие вещества называют альтермагнетиками.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

В тонкой плёнке оксида никеля магнитные области, как кусочки мозаики, выстроены в строгом порядке. Один импульс лазера мгновенно нагревает материал, и мозаика рассыпается: домены теряют ориентацию и перемешиваются. Учёные засняли этот процесс с помощью магнитооптической визуализации — метода, который показывает магнитную структуру по изменению поляризации света. Но на этом фокус не заканчивается.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

Обычно ток в металле действует как кипяток на лёд: он нагревает материал и разрушает магнитный порядок. Но в слоистой структуре из дителлурида вольфрама и ферромагнетика Fe3GeTe2 ток ведёт себя иначе.

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.

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.

Внутри магнита есть участки, где все атомные магнитики смотрят в одну сторону. Между такими участками — узкая переходная зона, где направление намагниченности плавно поворачивается. Эту зону называют доменной стенкой. Раньше её считали невесомой: толкнул — тут же остановилась. Но новые эксперименты показали, что у стенки есть инерция.

Кусок ядерного топлива внутри реактора — это не просто твёрдое тело. При нагреве атомы урана в нём начинают «шевелить» своими магнитными моментами, и это движение меняет теплопроводность и другие свойства.

Если сжать пластинку с ячейками-гармошками, по ней побежит волна перегиба — как складка по ковру, когда его толкают ногой. Такие волны умеют переключать материал между двумя устойчивыми формами, и на этом строят механическую память. Но стоит на пути складки оказаться ножке стола, и она застревает. В новой работе показали, как сдвинуть её с места без грубой силы.

Бактерия в капле воды ищет пищу. Вокруг неё — химический градиент: молекул еды больше в одной стороне, меньше в другой. Как двигаться, чтобы быстрее добраться до сытного места? Можно плавно подруливать, как велосипедист, объезжающий лужу. А можно — как бактерия — периодически останавливаться, кувыркаться и плыть в случайную сторону.

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».

Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В крошечном магнитном кристалле тоже бывают волны — только колеблется не вода, а направление намагниченности. Такие волны называют спиновыми. Они бегут по кристаллу, как рябь по поверхности, и могут переносить информацию. Физики взяли пластинку из иттриевого феррита-граната — это прозрачный оранжевый кристалл, который любят за чистоту магнитных колебаний.

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.

Свет в полупроводниках рождается из пар зарядов — электрона и дырки, которые притягиваются друг к другу, как магнит к холодильнику. Такая пара называется экситоном. Если к паре добавить ещё один заряд, получится трион — «тройка» из трёх частиц.