Источник: http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=96194#.VSaBmPmsWSo
Частицы могут взаимодействовать не только друг с другом, но и, как ни парадоксально, сами с собой. Например, спин электрона, вращающегося вокруг ядра, взаимодействует с орбитальным моментом, возникающем при движении самого электрона. Статья российских ученых, посвященная этому явлению в графене, вышла в журнале Nature Physics. Корреспондент STRF.ru попросил ученых прокомментировать изложенное в статье исследование.
«Спиновый момент электрона можно представить как «магнит», возникающий вследствие вращения электрона вокруг своей оси – примем этот классический образ, – поясняет соавтор статьи Михаил Отроков из лаборатории наноструктурных поверхностей и покрытий Томского государственного университета. – Движение электрона вокруг ядра создает круговой ток, а значит, возникает и магнитное поле. Получается, что в случае электрона происходит как бы "взаимодействие магнита с магнитным полем"». Это называется спин-орбитальным взаимодействием (СОВ).
С проявлением спин-орбитального взаимодействия знаком каждый, кто хоть раз пользовался компасом.
Поворот стрелки происходит под действием магнитного поля Земли, которое ориентирует ее вдоль своих силовых линий, по направлению к полюсу. Это происходит благодаря спин–орбитальному взаимодействию внутри ферромагнетика, которое достаточно жестко привязывает направление намагниченности к определенному направлению внутри кристалла. В итоге оказывается, что стрелке легче повернуться, чем перемагнититься.
Как правило, СОВ усиливается с увеличением заряда ядра, и чем ближе элемент находится к началу таблицы Менделеева, тем оно слабее. Однако в некоторых случаях в системе, состоящей из легких элементов, СОВ проявляется неожиданно сильно – физики называют его «гигантским». «Скажем, если для графена спин-орбитальное расщепление будет достигать 10 мэВ, его можно назвать гигантским. А для свинца расщепление около 1000 мэВ таким не считается», – добавляет Михаил Отроков.
В статье, опубликованной в Nature Physics, изучены некоторые эффекты гигантского СОВ в графене. «Эта работа была и экспериментальной, и теоретической одновременно, – рассказывает Михаил Отроков. – Первые любопытные экспериментальные результаты были получены группой наших испанских коллег. Они обнаружили, что если поместить двумерные островки свинца между слоем графена и иридиевой подложкой, то электронный спектр в центре таких островков будет содержать т.н. энергетические уровни Ландау, характерные для электронов, находящихся в магнитном поле. Однако магнитное поле в эксперименте не использовалось. Если же измерять спектр вдали от свинцовых островков, эти особенности не проявляются».
Испанские же исследователи предложили этому явлению и первое объяснение. Возможно, свинец – элемент с сильным СОВ – индуцирует его и в графене, у которого собственная «спин-орбита» практически отсутствует. При этом пространственное изменение интенсивности СОВ при переходе от графена на свинце к графену на иридии является ключевым фактором, ответственным за возникновение уровней Ландау. Это предположение подтвердилось результатами теоретических расчетов, выполненных с участием ученых томской лаборатории во главе с профессором Евгением Чулковым–Савкиным.
Усиление спин–орбитального взаимодействия в графене и вариация его интенсивности вблизи краев свинцовых островков приводят к одному важному эффекту: электрический ток, создаваемый в них под воздействием внешнего поля, будет спин-поляризованным.
«В данном случае ток будет соответствовать двум течениям зарядов: электроны с одним направлением спина будут двигаться в одну сторону, а электроны с противоположным – в обратную. Такое явление называется квантовым спиновым эффектом Холла», – объясняет Михаил Отроков.
«Вообще, сейчас это очень активная область в физике твердого тела – исследования так называемых топологических изоляторов,
– добавляет он. – Гигантское СОВ вкупе с его пространственным изменением делают графен двумерным топологическим изолятором – во всяком случае, частично, в той области, где помещены островки свинца». Иначе говоря, на краю графен проводит ток, хотя в целом, как плоскость, представляет из себя изолятор. Непосредственно в нашей работе такие транспортные эксперименты проведены не были, однако было показано, что в такой системе существуют предпосылки для реализации квантового спинового эффекта Холла».
«Но это еще не все, – продолжает Михаил Отроков. –
Проводимость, обеспечиваемая краевыми состояниями, будет близка к идеальной:
электроны практически не будут чувствовать таких препятствий, как примеси и дефекты – изменить направление движения они не могут. Для этого им нужно либо изменить направление спина на противоположное (тогда требуется внешнее магнитное поле), либо оказаться с противоположной стороны островка, что тоже непросто: движение сквозь непроводящую часть графена "запрещено"».
Можно сказать, что электроны при этом движутся, как автомобили на скоростном автобане: по одной полосе – строго в одном направлении, причем бетонное ограждение не даст развернуться и двигаться обратно.
«Но для них, как и для автомобилей, все же существует способ выполнить разворот, – добавляет Михаил Отроков. – Необходимо, почти как автомобиль на развязке, обойти образец по краю и в итоге оказаться с противоположной стороны разделительного ограждения, где электроны с тем же направлением спина текут уже в противоположном направлении».
По словам авторов работы, перспективы применения этой графеново–иридиево–свинцовой системы пока туманны: требуются дальнейшие исследования. Однако, в принципе, квантовый спиновый эффект Холла (как и родственный ему квантовый аномальный эффект Холла) имеют значительный потенциал применения в электронике. «Со временем такие материалы могли бы эффективно заменить медные контакты в компьютерных чипах. Могут появиться и высокоскоростные транзисторы на основе топологических изоляторов, позволяющие достичь показателей, недостижимых для традиционных полупроводников», – говорит Михаил Отроков.
«Что касается возможных сроков появления таких приборов, то это может быть и пять лет, как это было с применением эффекта гигантского магнитосопротивления в технологии изготовления жестких дисков, а может, и намного больше...
– заключает исследователь. – Нужные эффекты должны работать в нормальных условиях, но пока температура, при которой наблюдаются эффекты Холла, должна быть очень низкой, менее 1 К. Поэтому сейчас активно ищутся пути достижения того же результата при более высоких температурах.