Получено экспериментальное подтверждение фундаментального закона сохранения

 


Недавно теоретики высказали предположение о том, что упомянутый закон должен выполняться при рассмотрении двумерного электронного газа. Группа ученых из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) экспериментально подтвердила догадку своих коллег и одновременно значительно продвинулась в практической реализации идей спинтроники: исследователи продемонстрировали возможность управлять спиновым состоянием группы подвижных электронов в полупроводнике. «В нашем эксперименте упорядоченные по спину электроны стартуют в точке А и получают определенную свободу действий, но в конечной точке Б ориентация спина у всех частиц вновь оказывается одинаковой», — объясняет ведущий автор работы Джейк Коралек (Jake Koralek).

По своей сути спин-орбитальное взаимодействие — это взаимодействие свободных электронов, которые перемещаются по кристаллической решетке полупроводника, с электрическими полями встреченных атомов; вследствие этого спины частиц принимают разные направления. Параметры спин-орбитального взаимодействия в экспериментах ученых определялись двумя слагаемыми: членом Рашбы HR и членом Дрессельхауза HD. Величиной обоих слагаемых можно манипулировать; как прогнозировали ученые, для реализации закона сохранения необходимо обеспечить равенство указанных членов.

Для проверки своих предположений экспериментаторы создали двумерный электронный газ, заключив электроны в так называемую «квантовую яму» — потенциальную яму, образованную слоем арсенида галлия толщиной в несколько нанометров. Попавшие в такую область заряженные частицы перемещаются строго в одной плоскости.

Величина члена Рашбы определяется результирующей напряженностью электрического поля, созданного в пространстве квантовой ямы. Управлять же напряженностью можно путем введения в структуру полупроводника примесных атомов. «Атомы примеси замедляют движение электронов, поэтому мы постарались вывести их за пределы квантовой ямы, — рассказывает г-н Коралек. — Таким образом, легированным был полупроводник, служивший подложкой. Изменяя концентрацию примеси в полупроводнике на противоположной стороне ямы, мы настраивали конфигурацию поля».

Значение члена Дрессельхауза, напротив, определяется физическими размерами ямы (толщиной слоя арсенида галлия) и скоростью движения электронов. Ученые создали несколько вариантов квантовых ям, выбрав тот, который обеспечивал наилучшее согласование членов Рашбы и Дрессельхауза.

На заключительной стадии эксперимента исследователям было необходимо каким-то образом задать направление спина всей заключенной в яме группе частиц и посмотреть, как система будет эволюционировать. Для решения этой задачи применялся титан-сапфировый лазер, одновременно «поразивший» образец двумя импульсами фемтосекундной длительности. Пучки были направлены под определенным углом друг к другу; интерференция излучения привела к тому, что спины электронов оказались ориентированы вверх или вниз в соответствии с тем, какую именно круговую поляризацию имело воздействовавшее на них излучение.

«Управляя спин-орбитальным взаимодействием, вы можете контролировать направление и скорость вращения электронов, — утверждает Джон Коралек. — Мы добились того, что все частицы вращались в одной плоскости, а ориентация их спинов изменялась периодически с частотой, определяемой скоростью частицы». В такой конфигурации сохраняющимися величинами являются амплитуда и фаза образующейся волны спиновой плотности; необходимо также отметить, что полученное учеными состояние фиксировалось длительное время. Дальнейшее совершенствование методики эксперимента должно позволить еще больше увеличить время жизни этого состояния.

Полная версия отчета опубликована в журнале Nature, а препринт статьи доступен для скачивания на сайте arXiv.

Источник: Компьюлента