Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR spolu se svými zahraničními kolegy představili realizaci nového spinového fotovoltaického článku, který přímo konvertuje kruhově polarizované světlo na elektrický signál v polovodičovém čipu.
Objev otevírá možnosti pro integraci optoelektronických a spintronických součástek a představuje nový efektivní způsob detekce spinů unášených elektrickými proudy v konvenčních nemagnetických polovodičích. Kromě vědců z Akademie věd se na práci podíleli fyzici z laboratoře firmy Hitachi a University v Cambridge a Nottinghamu ve Velké Británii, z Texas A&M University ve Spojených státech a Physikalisch-Technische Bundesanstalt v Německu.
Spin elektronu představuje základní mikroskopický element pro vznik magnetických materiálů, bez kterých si dnes neumíme představit elektronické součástky pro ukládání a čtení digitální informace, tzv. spintroniku. Nemagnetické polovodiče na druhé straně hrají klíčovou roli v oblastech mikroprocesorového zpracování informace a optoelektroniky, ve kterých spin elektronu nehraje významnou roli.
Výše zmíněný objev spojuje světy spintroniky, polovodičové mikroelektroniky a optoelektroniky v jednom čipu. Teoretický a experimentální vývoj součástky byl inspirován dříve pozorovaným efektem, ve kterém elektrony nesoucí proud v magnetickém vodiči natáčejí své spiny podél směru magnetizace a díky anomálnímu Hallovu jevu je možné tyto spiny měřit prostřednictvím příčného elektrického napětí. Tento jev vedl tým k myšlence, že injekce spinově polarizovaných proudů do normálního nemagnetického polovodiče by měla generovat obdobné příčné napětí, pokud je chování elektronových spinů koherentní. Vědci tento jev experimentálně prokázali a nazvali „spin-injection Hall effect“.
K měření jevu byla použita speciálně zkonstruovaná planarní fotodioda. Při nasvícení p-n přechodu vznikají opticky vybuzené elektrony a díry, které jsou urychlovány opačným směrem, podobně jako u konvenčního fotovoltaického článku. Při použití kruhově polarizovaného světla se díky zákonu zachování úhlového momentu budí spinově polarizované elektrony. Hallovské elektrické signály podél polovodičového mikrokanálu v n-typové části planární diody pak slouží k měření lokální spinové orientace proudících opticky vybuzených elektronů.
Pozorovaná příčná elektrická napětí jsou dostatečně silná pro praktické účely i za pokojové teploty a jsou lineárně závislá na stupni kruhové polarizace budícího světelného paprsku. Součástka tak představuje realizaci polovodičového nemagnetického polarimetru, který přímo konvertuje polarizaci světla na elektrický signál. Tento nový mikročip a jev, na kterém je založen, mohou najít široké uplatnění ve spintronickém výzkumu a aplikacích. Představují efektivní nástroj na detekci spinů v nemagnetických polovodičích, který nenarušuje měřené spinově polarizované proudy a obejde se bez použití magnetických prvků.
Objev byl prezentován 2. srpna 2009 na internetovém portálu Advanced Online Publication prestižního vědeckého časopisu Nature Physics pod číslem DOI: 10.1038/NPHYS1359 v původním článku nazvaném „Spin-injection Hall effect in a planar photovoltaic cell“, jehož autory jsou J. Wunderlich, A. C. Irvine, J. Sinova, B. G. Park, L. P. Zarbo, X. L. Xu, B. Kaestner, V. Novák and T. Jungwirth.
Význam objevu bude rovněž podrobně diskutován v rubrice News&Views v zářijovém tištěném vydání Nature Physics. I. Žutić, autor článku pro News&Views, mimo jiné uvádí: „Konvenční fotovoltaický jev dostal nečekaný impuls díky spinu, čímž byly otevřeny nové možnosti pro detekci a využití spinově závislých jevů v polovodičích. Wunderlich se svými kolegy ukázal, že i v nemagnetických polovodičích je možné zkrotit a účelně využít spiny elektronů.“
