СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СПИНОВЫХ ВОЛН
METHOD OF GENERATING SPIN WAVES

Изобретение относится к области квантовой физики конденсированных сред, а именно к методам формирования квантовых коллективных возбуждений спиновой плотности и плотности намагниченности в графеновых пленках, и может найти применение в квантовой наноэлектронике, спинтронике, при создании спин-процессоров, ячеек памяти, датчиков физических полей, других устройств и систем обработки и хранения информации терагерцового (и выше) диапазона, имеющих нанометровые размеры и работающих в широком диапазоне температур при минимальном энергопотреблении.
В качестве одного из основных материалов для создания элементной базы наноэлектронных спинтронных устройств и систем, обеспечивающих выигрыш на порядки в области быстродействия, размеров и энергопотребления по сравнению с микроэлектронными аналогами, рассматривается графен, представляющий собой моноатомную двумерную гексагональную решетку из атомов углерода. Это обусловлено тем, что в такой структуре в широком диапазоне температур (от единиц до 500 градусов Кельвина) экспериментально наблюдался и теоретически обсуждался ферромагнитный эффект, свидетельствующий о том, что графеновые структуры могут иметь собственную намагниченность, обусловленную наличием отличной от нуля спиновой плотности валентных электронов атомов, распределенной на двумерной углеродной решетке (1-15). Наличие этой ненулевой спиновой плотности позволяет управлять ее распределением с помощью различных физических полей, что и является основой для создания элементов и устройств спинтроники. Для создания подобных устройств необходимо формирование локальных возбуждений спиновой плотности, которые и подлежат управляющему воздействию.
Известен способ формирования спиновых волн путем туннелирования спин-поляризованных электронов в графеновую пленку из кобальтового электрода через диэлектрическую изолирующую пленку (11). Инжектированные электроны формируют спиновые пространственно-локализованные импульсы, которые затем распространяются и релаксируют в графеновой пленке. В измерениях регистрируются локальное магнитосопротивление и прецессия инжектированных спинов во внешнем магнитном поле. Время релаксации составляет величину порядка 100 пикосекунд, а длина релаксации - порядка 1-2 мкм.
Основным недостатком указанного способа является отсутствие квантовой когерентности формируемых спиновых импульсов, это ограничивает их время жизни и длину релаксации на графеновой поверхности, что важно для практических приложений.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является увеличение времени жизни и длины распространения спиновых импульсов в графеновой пленке.
Технический результат достигается тем, что на предварительно выделенную рабочую область графеновой пленки линейным размером 2000 нм, разделенную на участки размером 50-100 нм, воздействуют импульсным переменным магнитным полем, частота которого составляет 3 терагерца и соответствует переходу с основного энергетического уровня, соответствующего невозбужденному состоянию спиновой плотности, на четвертый рабочий энергетический уровень возбужденного состояния спиновой плотности в графеновой пленке, вызывая энергетическую накачку спиновой плотности, при этом по краям рабочей области формируют пространственно локализованное внешнее магнитное поле, резонансно отражающее спиноны рабочей частоты 0.5-1 терагерц, соответствующей переходу с третьего рабочего на второй рабочий энергетический уровень возбужденного состояния спиновой плотности, при прохождении рабочей области вызывающие стимулированное вынужденное когерентное излучение спиновых волн рабочей частоты.
Рабочим телом для такой квантовой генерации является сама графеновая пленка, которая в силу нелинейности взаимодействия пространственно локализованных уединенных волн спиновой плотности в графене имеет локальный минимум, обеспечивающий наличие дискретных значений спектра решений уравнения Шредингера для волновой функции системы взаимодействующих уединенных спиновых волн с соответствующим значением собственной энергии для каждого решения. Графеновая пленка является средой, имеющей дискретный спектр стационарных возбужденных состояний спиновой плотности, квантовые переходы между которыми сопровождаются излучением или поглощением кванта элементарного возбуждения спиновой плотности, называемого спиноном. Резонатором, обеспечивающим генерацию, являются конфигурации магнитного поля, сформированные внешними устройствами на поверхности графеновой пленки, называемые магнитными зеркалами, и отражающие спиноны.
Увеличение времени жизни и длины распространения спинового импульса достигается в результате того, что он формируется потоком квантово когерентных спиновых волн (квантовым генератором спиновых волн, называемым спиназером).
Способ осуществляется следующим образом. С помощью управляющей структуры, называемой структурой накачки (планарная магнитная катушка), формируются импульсы переменного магнитного поля амплитудой 1-5 Т, пространственно сконфигурированное для формирования в заданных с периодом 50-100 нм областях графеновой пленки стационарных возбужденных состояний спиновой плотности. Таким образом осуществляется накачка. В качестве рабочей выбирают схему накачки, имеющую четыре следующих подряд энергетических спинонных уровня (четырехуровневая схема). Одновременно по краям рабочей области, имеющей линейный размер 100 мкм, формируют пространственно локализованные в рабочей области размером 2000 нм конфигурации внешнего магнитного поля, отражающие спиноны заданной энергии и импульса, называемые магнитными зеркалами. Эти конфигурации представляют собой области пространственной модуляции магнитного поля с периодом 50 нм, образующие дифракционные зеркала для спинонов, отражающие спиноны заданной энергии и импульса и имеющие окна прозрачности для остальных спинонов. Магнитные зеркала образуют резонатор, аналогичный резонатору Фабри-Перо для электромагнитных волн оптического диапазона. Рабочие значения напряженности магнитного поля в схеме накачки и управляющей структуре составляют величину 1-5 Т.
В результате накачки в рабочей области графеновой пленки образуются возбужденные пространственно локализованные стационарные состояния спиновой плотности - бризеры [13-15], имеющие пространственные размеры 20-100 нм в зависимости от их энергии, находящиеся на верхнем четвертом энергетическом уровне, откуда они спонтанно переходят на метастабильный третий энергетический уровень, излучая спиноны, для которых магнитные зеркала прозрачны. Время жизни бризера на третьем энергетическом уровне превышает время жизни на втором уровне в 10 раз, что обеспечивает возможность создания инверсной населенности бризеров между третьим и вторым уровнями. При спонтанных переходах со второго на первый энергетический уровень излучаются спиноны, для которых магнитные зеркала также прозрачны. Таким образом, резонансные условия обеспечиваются только для спинонов, излученных в результате рабочих переходов с третьего на второй энергетический уровень, между которыми создана инверсная плотность населенности бризеров. При прохождении такого спинона через рабочую область в результате взаимодействия его с бризерами, находящимися на третьем метастабильном энергетическом уровне, последние вынужденно и когерентно излучают такой же спинон, переходя на второй рабочий энергетический уровень, откуда спонтанно переходят на первый основной. В результате мы имеем эффект квантового усиления когерентного спинонного потока. Магнитные зеркала обеспечивают при этом кратное умножение коэффициента усиления. Кратность умножения равна числу проходов потока между зеркалами и составляет 10-100 раз.
Таким образом, при превышении коэффициентом усиления суммарно коэффициентов поглощения и рассеяния обеспечивается квантовая генерация когерентного потока спинонов, и в результате - увеличение времени жизни спиновых импульсов в 100 раз, и длины их распространения в 1000 раз по сравнению с прототипом, использующим некогерентные импульсы.