Спиновые взаимодействия между различными веществами в гибридных структурах могут происходить на гораздо больших расстояниях, чем предполагалось до сих пор. Переносчиком взаимодействия могут быть фононы — акустические колебания кристаллической решетки. К такому выводу пришла большая международная группа исследователей, в число которых вошли сотрудники ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.

Наблюдая за фотолюминесценцией гибридной структуры, состоящей из полупроводника и ферромагнетика, разделенных широкозонным немагнитным полупроводником, они обнаружили, что спины частиц ферромагнетика могут влиять на расположение спинов в полупроводнике, даже когда ширина прослойки между ними очень велика — много больше, чем характерный масштаб перекрытия волновых функций.

Возможно, переносчиками взаимодействия между разными материалами выступают поляризованные по кругу фононы — акустические колебания кристаллической решетки. Таким образом, обнаружен перспективный способ управления спинами носителей в полупроводниках.

Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Physics.

«Гибридные структуры» — составные материалы, состоящие из веществ с различными свойствами (например, полупроводники и диэлектрики, ферро- и антиферромагнетики, сегнетоэлектрики и другие). Ожидается, что такой «гибрид», кроме свойств составляющих его материалов, «заработает» некоторые качественно новые свойства, зависящие от взаимодействия подсистем. Одна из важнейших задач современной физики состоит в том, чтобы управлять этим взаимодействием.

Исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Physics, проводил международный коллектив исследователей из ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Технического университета Дортмунда и Института физики Польской Академии наук.

Изучалась гибридная структура, состоящая из четырех слоев. В самом низу находится барьер из широкозонного немагнитного полупроводника CdMgTe на подложке GaAs. На нее нанесен очень тонкий (10 нанометров) слой узкозонного полупроводника CdTe, сверху также закрытый слоем немагнитного CdMgTe. Получается так называемая «квантовая яма» — слой вещества, внутри которого потенциальная энергия частицы меньше, чем за его пределами. Частица не может «выбраться» из этой области (для этого ей потребовалась бы большая энергия), и ее подвижность ограничена двумя измерениями.

Владимир Львович Коренев, ведущий научный сотрудник лаборатории оптики полупроводников, сравнивает квантовую яму с очень узкой и длинной комнатой: противоположные стены слишком близки друг к другу, и человек, зажатый между ними, сможет двигаться только вдоль стенок.

На квантовую яму, сверху был нанесен слой ферромагнитного материала — кобальта переменной толщиной 0-16 нм. Целью было исследовать обменные спиновые взаимодействия между полупроводником (CdTe) и ферромагнетиком (Co), разделенными немагнитным слоем. Особый интерес придавало то, что ширина разделительного слоя менялась от 30 нм до нуля, и в зависимости от этого исследуемое взаимодействие могло соответственно ослабляться или усиливаться.

Действуя лазером на слой полупроводника, экспериментаторы возбуждали в нем частицы, спины которых выстраивались в определенном направлении за счет взаимодействия с ферромагнетиком. Затем регистрировали собственную поляризованную фотолюминесценцию из квантовой ямы, которая зависела от того, как ориентированы спины носителей заряда.

Схема эксперимента. Синей стрелкой обозначен во...

Схема эксперимента. Синей стрелкой обозначен возбуждающих луч лазерного излучения, который проникает в слой узкозонного полупроводника CdTe (квантовая яма). Красной извилистой стрелкой обозначено выходящее излучение, зеленой стрелкой — направление магнитного поля ферромагнетика. Из ст. V. L. Korenev, et al., Nature Physics (2016)

«Можно сказать, что мы использовали зонд нанометрового размера: по излучению полупроводника можно было судить, что происходит внутри квантовой ямы», — поясняет Владимир Коренев.

Поскольку размеры системы очень малы, то вступают в действие законы квантовой механики, и простая аналогия с узкой комнатой перестает работать. В узкой квантовой яме элементарные частицы начинают вести себя преимущественно как волны. Они могут даже покинуть квантовую яму, протуннелировав через потенциальный барьер (но при этом не «выскакивая» из квантовой ямы). При этом их волновая функция начинает перекрываться с магнитными атомами ферромагнетика.

В данном эксперименте по другую сторону стенки находился слой ферромагнетика, намагниченного в определенном направлении. «Просочившаяся» из квантовой ямы частица оказывается в «стройном ряду» выстроенных спинов. Дальнейшее зависит от того, какая именно частица «просочилась» через барьер. Если это легкий электрон, то он выстраивает свой спин в соответствии с электронами ферромагнетика, поскольку именно такое положение оказывалось энергетически наиболее выгодным. В случае с более тяжелыми дырками ситуация более сложная: спины дырок вследствие сильного спин-орбитального взаимодействия как будто «прибиты» к направлению, перпендикулярному слоям гибридной структуры. А величина обменного взаимодействия пропорциональна величине компоненты намагниченности ферромагнетика в этом направлении.

Такое обменное спиновое взаимодействие дырок с ферромагнетиком неожиданно оказалось очень сильным. Изначально предполагалось, что оно будет быстро ослабевать с увеличением ширины промежуточного слоя до нескольких нанометров. Эксперимент же показал, что спины дырок прекрасно взаимодействуют и тогда, когда толщина диэлектрика достигла 30 нанометров. В таком случае волновые функции частиц уже не могли перекрываться, а значит, что-то другое передавало информацию об ориентации спинов от ферромагнетика к дыркам квантовой ямы.

Исследователи предположили, что перенос взаимодействия происходит с помощью поляризованных по кругу акустических колебаний кристаллической решетки — или, как их называют физики, фононов. Для фононов нет энергетического барьера, они легко пересекают границы между разными слоями и могут переносить взаимодействие от ферромагнетика к полупроводнику через очень широкий разделительный слой — много больше масштаба туннелирования.

Таким образом, был обнаружен новый механизм обменного взаимодействия, а, следовательно, и способ управлять спинами носителей в полупроводниках. В перспективе он может быть использован в прикладных целях, в том числе в новых быстродействующих устройствах хранения и считывания информации.

«Существует обширное направление в физике по намагничиванию газов и твердых тел циркулярно поляризованным светом, — говорит Владимир Коренев, — Но наша работа стала первым предложением по реализации фононного аналога оптического контроля: намагничиванию сред циркулярно поляризованными фононами». Осталось детально разобраться как возникают циркулярно поляризованные фононы и понять как ими управлять.

В ФТИ им. А.Ф. Иоффе создана совместная лаборатория с Техническим университетом Дортмунда. В начале 2015 г. она была поддержана в рамках гранта Правительства РФ для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых. С немецкой стороны лабораторию возглавляет Хельмут Байер, профессор университета Дортмунда. С российской стороны — доктор физ.-мат. наук Юрий Кусраев, руководитель лаборатории оптики полупроводников ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Тема работ — «Гибридная СпинОптроника — Функциональные возможности спина в полупроводниковых наноструктурах и гибридах полупроводник/металл: оптическое, микроволновое и электрическое управление спинами».

V. L. Korenev, et al. Long-range p–d exchange interaction in a ferromagnet–semiconductor hybrid structure Nature Physics 12, 85–91 (2016) doi:10.1038/nphys3497