Новый стабильный источник спин-поляризованных электронов разработали ученые Института физики полупроводников им А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН). Технология управления спином позволит в будущем создать спинтронные устройства – более быстрые и энергоэффективные, чем сегодняшние компьютеры, телефоны.

Надежный источник (как и детектор) спин-поляризованных электронов нужен как для прикладных применений, так и для фундаментальных исследований (при проведении экспериментов на ускорителях заряженных частиц – коллайдерах). Созданный в России новый источник превосходит традиционно используемые аналоги по совокупности параметров – времени жизни, квантовой эффективности и спиновой поляризации электронов. Это мультищелочной фотокатод, представляющий собой тонкий полупроводниковый слой, который «производит» электроны с одинаковым спином (поляризованные) в ответ на облучение лазером.

«Наше открытие в том, что мы установили: полупроводниковое соединение щелочных металлов и сурьмы — мультищелочной фотокатод — хороший источник спин-поляризованных электронов. Степень поляризации электронов у него может быть выше, чем у сложных гетероструктур на основе арсенида галлия (GaAs), которые обычно используются для таких целей. К тому же, у нашего источника дольше время жизни и больше квантовый выход — соотношение испущенных электронов к падающим фотонам, которые инициировали фототок. Мультищелочные фотокатоды изучались с 1930-х годов: они используются в фотоэлектронных умножителях, приборах ночного видения, а также в качестве источников электронов в ускорителях. Но никто не выяснял их потенциал как источника именно спин-поляризованных электронов», — рассказал заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор НГУ, профессор РАН, доктор физико-математических наук Олег Терещенко, руководивший работой по созданию нового источника спин-поляризованных электронов.

До сих пор в экспериментах на циклических и линейных ускорителях применялись только арсенид-галлиевые источники.

«Мультищелочные катоды обещают быть менее требовательными к вакуумным условиям, к присутствию в остаточном газе нежелательных примесей. Если говорить о потенциальном использовании нового источника на строящем в Сарове коллайдере, нас вдохновляет большая величина квантового выхода мультищелочного фотокатода — до 15%. Это примерно на порядок выше, чем у гетероструктур на основе арсенида галлия. Но степень поляризации потребуется более 60%. Этот параметр более важен, чем квантовый выход – последний можно повысить, увеличивая мощность лазера или площадь фотокатода, а вот низкую степень поляризации ничем не восполнишь», — отметил главный научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, доктор физико-математических наук Иван Кооп.

Схематическое изображение вакуумного спинового фотодиода
(он содержит мультищелочной источник спин-поляризованных электронов и их детектор)
Авторы изображения Вадим Русецкий, Олег Терещенко

Ученые отмечают, что повысить степень поляризации источника на основе мультищелочного фотокатода можно до 100%, на это указывают недавние эксперименты.

Сообщается также, что в рамках научного проекта был изготовлен вакуумный фотодиод, у которого с одной стороны располагался мультищелочной полупроводниковый фотокатод KNa2Sb, а с другой ? полупроводниковый детектор спин-поляризованных электронов на основе арсенида галлия. Облучив фотокатод поляризованным светом, можно «извлечь» из него электроны с одинаковым спином, а детектор их зарегистрирует.   Все характеристики нового источника спин-поляризованных электронов на основе соединений сурьмы и щелочных металлов ученые сравнивали со «стандартом» — арсенид-галлиевым источником, на нем же проверялась и корректность работы оптической схемы. В итоге были получены результаты, подтверждающие правильность расчетов. Дальнейшую работу по усовершенствованию источника поляризованных электронов на основе мультищелочного фотокатода ученые ИФП СО РАН продолжат, сотрудничая с коллегами из ЗАО «Экран ФЭП», ИЯФ СО РАН и специалистами других научных организаций.