Nowe mechanizmy transportu spinu w metalach
Manipulacja spinem elektronów stanowi fundament spintroniki, która umożliwia tworzenie mniejszych, ale wydajnych układów elektronicznych. „Zachowanie polaryzacji spinu na całej długości urządzenia elektronicznego jest kluczem do jego skutecznego opracowania”, mówi prof. Angel Rubio, który prowadził finansowany ze środków UE projekt SOCISS. Ochrona depolaryzacji spinu spowodowanej przez różne mechanizmy relaksacyjne ma pierwszorzędne znaczenie dla budowy innowacyjnych urządzeń nowej generacji. Czysty prąd spinowy – bez ładunku W spintronice jednym z głównych mechanizmów, który powoduje, że spin elektronu traci zdolność do ustawienia się w danym kierunku, jest jego oddziaływanie z ruchem orbitalu. „Naruszenie symetrii inwersyjnej na granicy faz między heterostrukturami generuje silne sprzężenie spinowo-orbitalne. To silne oddziaływanie sprzyja wytwarzaniu czystych prądów spinowych, które składają się z elektronów o przeciwstawnych spinach poruszających się w przeciwnych kierunkach. Kierunek spinu „w górę” i „w dół” może być wykorzystywany do przechowywania i przetwarzania informacji w urządzeniach spintronicznych”, podkreśla prof. Rubio. Ale jak wyjaśnia, „elektrony nie mogą utrzymać kierunku na dużej odległości w regionach o silnym sprzężeniu spinowo-orbitalnym”. Aby obejść ten problem, naukowcy muszą połączyć ze sobą regiony granicy faz, które wykazują ogromne i słabe oddziaływania spinowo-orbitalne. Uzyskanie szczegółowego obrazu tego, co dzieje się na granicy faz między heterostrukturami, jest zatem kluczowe dla osiągnięcia tego celu. Elektrony zmieniają spiny Szczegółowe badania międzyfazowego sprzężenia spinowo-orbitalnego między heterostrukturami doprowadziły do odkrycia swoistych zjawisk, które nie były wcześniej opisywane. „Byliśmy zaskoczeni, gdy dowiedzieliśmy się, że sprzężenie spinowo-orbitalne w połączeniach metal-metal daje początek tzw. konwersji spin-spin”, zauważa prof. dr Rubio. „Efekt ten, znany również jako zamiana spinu, opisuje, w jaki sposób elektrony zamieniają polaryzację spinu zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego w obecności międzyfazowego sprzężenia spinowo-orbitalnego”, wyjaśnia. Kontrola magnetyzmu na żądanie Innym godnym uwagi osiągnięciem projektu, które jest szczególnie interesujące dla przyszłych zastosowań w elektronice, jest możliwość kontroli polaryzacji spinu przy pomocy prądu elektrycznego. „Elementy pamięci magnetycznej, jak np. w dysku twardym, przechowują dane cyfrowe magnetycznie, ale szybkie i dokładne zapisywanie danych w ten sam sposób jest niezwykle trudne. Zastosowanie prądu elektrycznego do włączania i wyłączania magnetyzmu sprawia, że proces zapisu jest szybszy i znacznie bardziej energooszczędny, a wszystko, czego potrzeba, to impuls napięcia”, podkreśla prof. Rubio. Zespół SOCISS zastosował podejście balistyczne do obliczania mechanizmów konwersji spin-spin i spin-ładunek, które mają miejsce na granicy faz złączy metali. Obliczenia te pomijają wszelkie defekty w większości heterostruktur. Istotny postęp dokonał się również w rozszerzeniu warunków brzegowych Zajcewa, które opisują efekty bliskości w heterostrukturach do przypadków, w których występuje międzyfazowe sprzężenie spinowo-orbitalne. Wyniki powinny pozwolić badaczom na wyjaśnienie wszystkich zróżnicowanych mechanizmów konwersji spinu wyzwalanych przez międzyfazowe sprzężenie spinowo-orbitalne oraz dalsze wykazanie ich zależności od grubości złącza. Od skali atomowej do mezoskali Jednym z najważniejszych celów projektu SOCISS było stworzenie wielowymiarowego opisu zjawisk transportu spinu spowodowanych oddziaływaniami spinowo-orbitalnymi. Nowy model doskonale opisuje wszystkie zjawiska transportu spinu w skali mezoskopowej. „Ponadto zastosowanie technik opartych na pierwszych zasadach pozwoliło nam określić, w jaki sposób właściwości materiału wpływają na mechanizmy spinowe”, wyjaśnia prof. Rubio. Połączenie tych metod zapewnia szczegółowy opis międzyfazowego sprzężenia spinowo-orbitalnego we wszystkich skalach bez użycia dowolnych parametrów. Wyniki projektu dają potencjalnie możliwość wykorzystania oddziaływań spinowo-orbitalnych do manipulowania elektronami w zastosowaniach z dziedziny spintroniki. Naukowcy kontynuują badania nad tym zagadnieniem, a wyniki ich prac są rozpowszechniane podczas wykładów na różnych konferencjach, seminariach i warsztatach. Naukowcy uczestniczyli również w programie LanAldi, który pozwolił im na promowanie ich badań oraz zwiększenie dostępności przedmiotów ścisłych dla uczniów szkół średnich.
Słowa kluczowe
SOCISS, sprzężenie spinowo-orbitalne, metal, międzyfazowe, spintronika, transport spinu, prąd spinowy, konwersja spin-spin, konwersja spin-ładunek
