Об одной из таких возможностей – использовании мультиферроиков, в которых магнитная и электрическая подсистемы связаны магнитоэлектрическим взаимодействием, уже  рассказывалось в ПерсТе [1]. В работе [2] сообщается об электрическом управлении спинами отдельных электронов, а в качестве посредника выступает спин-орбитальное взаимодействие.

Рис. 1. Система электродов для управления спинами электронов (места локализации электронов отмечены пунктиром). Переменное электрическое, постоянное магнитное поле и туннельный ток обозначены синей, зеленой и белыми стрелками, соответственно.

Для демонстрации эффекта используются два электрона, локализованные в двух рядом расположенных квантовых точках, что технически реализуется на основе полупроводника GaAs с напыленными на него металлическими электродами (рис. 1).  Спином одного из электронов управляют с помощью импульсов электрического поля, второй электрон используется для считывания информации о спиновом состоянии первого электрона.

Цикл записи/считывания информации происходит в несколько этапов.

·         В начальном состоянии два электрона расположены в соседних квантовых точках, в состоянии с параллельными спинами (выделенное направление задает внешнее постоянное магнитное поле). Электрический потенциал на затворе, изолирует электроны друг от друга, создавая потенциальный барьер между ними (рис.2а). 

·         На заключительном этапе создаваемый затвором потенциальный барьер, изолирующий две квантовые точки, снимается, и электроны получают возможность туннелировать из одной квантовой точки в другую. Однако, согласно принципу запрета Паули, туннелирование происходит лишь в том случае, если спины электронов антипараллельны. Таким образом, происходит считывание информации о спиновом состоянии второго электрона (рис. 2в).

Рис. 2. Цикл записи/считывания: а) - изолированное состояние электронов; б) - вращение спина второго электрона в осциллирующем электрическом поле; в) - туннелирование первого электрона в соседнюю квантовую точку (при условии, что после вращения спины электронов оказываются антипараллельными). Снизу показана временная зависимость потенциала на крайне правом электроде (рис. 1).

 

Данная последовательность действий повторяется циклически, и результирующий туннельный ток пропорционален вероятности нахождения спинов в антипараллельном состоянии. Изменение длительности импульса переменного электрического поля приводит к периодическому изменению туннельного тока. Увеличение амплитуды электрического импульса приводит к пропорциональному увеличению эффективного магнитного поля и, как следствие, пропорциональному увеличению частоты осцилляций (закон, характерный для магнитного резонанса).

Таким образом, впервые продемонстрирован способ электрического управления спином отдельного электрона, выводящий спинтронику на новый уровень миниатюризации. По сравнению с традиционными магниторезонансными методами (использующими импульсы осциллирующего магнитного поля), данный способ обладает преимуществами простоты создания управляющего поля и лучшей пространственной селективности, что особенно критично для задач управления отдельными спинами.

1. ПерсТ, 13, вып.10, с. 4 (2006).

2. K.C. Nowack et al., Science 318, 1430 (2007).