Электрон имеет заряд и спин, и возбуждение как зарядовой, так и спиновой плотности в электронной системе может использоваться при обработке информации. Динамика волн зарядовой плотности исследовалась в плазмонике, а динамика волн спиновой плотности – в области спинтроники. Однако меньше усилий было направлено на объединение этих двух технологий и разработку ожидаемых сверхвысокоскоростных устройств с низким энергопотреблением.
На сегодняшний день основным препятствием, мешающим развитию этой области исследований, является отсутствие измерительного прибора, чувствительного как к заряду, так и к вращению.
В своей недавней статье, опубликованной в Nature Physics, доктор. Масаюки Хашисака из Tokyo Tech и его коллеги сообщили об «осциллографе с разрешением по спину», который позволяет измерять формы сигналов заряда и спина в электронных устройствах. Осциллограф – это основной измерительный прибор, используемый в электронике; однако обычные осциллографы не позволяют измерять заряд и вращение.
«Сигнал заряда» – это полный заряд электронов со спином вверх и вниз. Кроме того, «сигнал спина» – это разница между плотностями электронов со спином вверх и вниз.
Оба этих сигнала, распространяющиеся в полупроводниковом устройстве, могут быть обнаружены осциллографом с разрешением по спину, который состоит из спинового фильтра и детекторов заряда с разрешением по времени в нанометровом масштабе. Спиновый фильтр разделяет электроны со вращением вверх и вниз, а детектор заряда с временным разрешением измеряет формы волн зарядовой плотности. Благодаря объединению этих спинтронных и плазмонных устройств создается осциллограф с разрешением по спину.
Используя этот осциллограф с разрешением по спину, Хашисака и его коллеги продемонстрировали измерения формы волны для волновых пакетов с зарядовой и спиновой плотностью в полупроводниковом устройстве.
Им удалось наблюдать процесс разделения заряда и спина в одномерной электронной системе, состоящей из квантовых холловских краевых каналов, которая является прототипом системы для исследования одномерной динамики электронов. Это был первый эксперимент, в котором однократное измерение формы волны с разделением спиновых зарядов позволило оценить все соответствующие параметры системы. Кроме того, это наблюдение демонстрирует не только полезность осциллографа с разрешением по спину, но и возможность разработки новых устройств плазмонной и спинтронной систем на основе одномерных полупроводниковых материалов.
Осциллограф с разрешением по спину будет способствовать исследованиям как в плазмонике, так и в спинтронике; например, это устройство поможет изучать динамику электронов в различных одномерных системах.
Кроме того, осциллограф с разрешением по спину проложит путь для будущей «спин-плазмоники», где будут созданы сверхвысокоскоростные устройства с низким энергопотреблением.