Где обнаружить ядерный спиновый полярон

Первые два десятилетия нашего века знаменуются бурным развитием квантовых технологий. Перед учеными возникают задачи поиска, исследования и разработки неклассических методов хранения, обработки и передачи информации. Среди всевозможных систем, которые могли бы составить альтернативу классической единице информации — биту, спин электрона занимает особое место. Исследования в этой области активно ведутся в Российско-Немецком научном центре, созданном на основе Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербургского государственного университета и Технического университета Дортмунда (Германия).

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Спин — внутренний магнитный момент элементарных частиц — имеет квантовую природу. С одной стороны, это означает, что проекция спина на заданную ось, как говорят, квантуется: например, для электрона она может принимать либо значение +1/2, либо –1/2. Соответствующие состояния называют состояниями со спином «вверх» и «вниз». С другой стороны, согласно квантовой теории, спин может находиться в когерентной суперпозиции состояний «вверх» и «вниз»: говоря по-простому, быть одновременно направленным в противоположные стороны, как инь и янь в китайской философии. Эта особенность спинов открывает перспективы создания квантовых битов или кубитов (от английского qubit — quantum bit) для обработки информации.

Для того чтобы применять электронные спины на практике, требуется решить несколько фундаментальных задач. Во-первых, нужно научиться создавать спин в заданном квантовом состоянии или в требуемой суперпозиции состояний. Во-вторых, нужно уметь считывать состояние спина. В-третьих, необходимо реализовать управление спином — например, переключение его из одного состояния в другое. И это еще не все: требуется, чтобы спин «жил» в своем квантовом суперпозиционном состоянии достаточно долго (спиновая информация должна храниться необходимое время), и нужно обеспечить перенос спинов из одного места в другое без потерь (то есть обеспечить передачу спиновой информации). Есть, конечно, и другие задачи, но эти задачи — самые основные. Сформировалось новое направление исследований — спинтроника,— нацеленное на изучение спиновых явлений.

По всему миру ведутся масштабные экспериментальные и теоретические исследования спиновых явлений в самых разных системах, в том числе в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, которые являются исключительно перспективными. Важную, а в ряде случаев и основополагающую роль в таких исследованиях играют научные коллективы России и Германии. Для поддержки и координации совместных исследований была разработана исследовательская программа Международного научного центра «Когерентное управление взаимодействующими спиновыми возбуждениями в полупроводниковых гетероструктурах», включающего в себя ученых из двух российских организаций — Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук и Санкт-Петербургского государственного университета — и немецкого партнера, Технического университета Дортмунда при поддержке Рурского университета в Бохуме. Выбор организаций-партнеров был далеко не случайным: Физико-технический институт еще в 70-е годы прошлого века стал пионером и мировым лидером в области спиновых эффектов в полупроводниках, с начала XXI века тематика спиновых явлений стала одной из приоритетных и в Петербургском университете, Технический университет Дортмунда — один из лидеров в этой области в Европе, а научные контакты между российскими и немецкими партнерами насчитывают не одно десятилетие. Реализация программы началась в 2015 году.

Научные задачи Международного научного центра тесно связаны с описанными выше фундаментальными проблемами в области спинтроники. Одним из самых интересных объектов для экспериментальных и теоретических исследований является электронный спин в квантовой точке или в нанокристалле. С использованием нанотехнологий создается маленький — размером в несколько нанометров — кристаллик одного материала внутри другого, внутри этого нанокристалла можно разместить электрон, спин которого мы хотим изучать. Для управления спинами электронов используется внешнее магнитное поле: спин, как и любой магнитный момент, вращается, или, как говорят, прецессирует в этом поле. Однако спин данного электрона чувствует не только внешнее поле, но и магнитные поля, создаваемые спинами ядер,— ядерные поля, из которых составлена кристаллическая решетка полупроводника.

В типичных квантовых точках спин электрона взаимодействует с сотнями тысяч ядерных спинов. Как правило, ядерные магнитные поля случайные, они меняются от квантовой точки к квантовой точке, да еще и флуктуируют во времени. Ясно, что наличие таких случайных полей затрудняет, а зачастую и делает невозможным управление спинами и сохранение суперпозиционных состояний.

В результате наших исследований стало понятно, что случайными ядерными полями можно управлять. Были предложены методы стабилизации прецессии электронных спинов под действием повторяющейся последовательности лазерных импульсов. Удалось реализовать режим, когда миллион спинов электронов (каждый в своей квантовой точке) вращаются синхронно. Характерный период прецессии — время полного оборота электронного спина — может составлять миллиардные доли секунды.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Оказывается, что и ядерные спины весьма перспективны с точки зрения спинтроники. Дело в том, что эти спины достаточно слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому если ядра поляризовать, то есть направить их спины в одном и том же направлении, то такое поляризованное состояние сохраняется очень долго: несколько минут или даже часов, а в особых ситуациях — несколько суток. Значительные усилия наших групп нацелены на исследование ядерной поляризации в полупроводниковых наносистемах. Оказывается, что ансамбль ядерных спинов можно описывать на языке термодинамики и характеризовать его эффективной температурой, которая может быть не только положительной, но и отрицательной! В совместных работах университетов Дортмунда и Петербурга было получено рекордное охлаждение ядерных спинов — до 0,5 микрокельвина.

Такое рекордное охлаждение позволяет надеяться на обнаружение в скором времени ядерного спинового полярона: нового коррелированного состояния спинов электрона и ядер, возникающего по теоретическим предсказаниям при сверхнизких температурах, когда спины ядер основной решетки ориентируются по отношению к спину электрона заряда так, чтобы минимизировать энергию их взаимодействия.

Управлять спинами с помощью магнитных полей удобно и естественно, но не всегда эффективно. Дело в том, что магнитные поля невозможно быстро переключать, также очень сложно приложить магнитное поле локально, к одному спину. Уже в первых работах по исследованию спиновых явлений в полупроводниках (а до этого и в атомной физике) было выяснено, что управлять спинами можно с помощью света. Эти идеи активно развиваются в рамках нашего международного центра, были предложены и реализованы эффективные протоколы оптического управления спиновой поляризацией электронов и ядер в полупроводниковых наносистемах.

Международный научный центр плодотворно работает уже шесть лет, к настоящему времени в работе центра участвуют более 100 исследователей, значительная часть сотрудников — молодые ученые. Идет непрерывный обмен аспирантами между российскими и немецкими научными группами, проводятся научные семинары для молодых ученых. Результаты исследований публикуются в самых престижных научных журналах, участников центра часто приглашают на ведущие научные конференции с докладами о проводимых работах. Центр отмечен премией за лучший проект в конкурсе «Россия и Германия: научно-образовательные мосты» в рамках перекрестного года научного сотрудничества наших стран. Пандемия коронавируса не прервала работу центра: обсуждения работ перешли в онлайн, но происходят не менее бурно и не менее плодотворно. Помимо очевидных научных успехов и укрепления научных связей между Россией и Германией наш Международный научный центр, на мой взгляд, выполняет еще одну важную функцию: проводя совместно научные исследования, участвуя вместе в конференциях и семинарах, работая в лабораториях партнеров, мы стали лучше понимать друг друга, что тоже очень важно.

Михаил Глазов, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Санкт-Петербург