Исследователи Санкт-Петербургского университета совместно с коллегами из Томского университета, а также немецкими и испанскими учеными впервые в мире модифицировали графен и наделили его свойствами кобальта и золота — магнетизмом и спин-орбитальным взаимодействием. Разработка поможет усовершенствовать квантовые компьютеры.
Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Американского химического сообщества Nano Letters.
Графен — самый легкий и прочный из всех существующих сегодня материалов, который к тому же обладает высокой электропроводностью. При взаимодействии с кобальтом и золотом графен не только сохраняет свои уникальные характеристики, но и частично перенимает свойства этих металлов — магнетизм и спин-орбитальное взаимодействие. Уникальную модификацию графена с новыми фундаментальными свойствами впервые реализовали исследователи из лаборатории электронной и спиновой структуры наносистем СПбГУ под руководством доктора физико-математических наук Евгения Чулкова и из лаборатории физической электроники СПбГУ под руководством доктора физико-математических наук Александра Шикина.
«Классически спин электрона можно представить как «магнит», возникающий вследствие вращения электрона вокруг своей оси, — объяснил Александр Шикин. — При этом электрон вращается еще и вокруг ядра, что создает круговой ток, а значит, и магнитное поле. Таким образом, между этим «магнитом» и магнитным полем происходит взаимодействие, которое называется спин-орбитальным. Собственное спин-орбитальное взаимодействие графена пренебрежимо мало, а у золота оно крайне велико, поэтому взаимодействие золота с графеном приводит к появлению спин-орбитального взаимодействия у последнего, равно как и взаимодействие кобальта с графеном намагничивает его».
Как отметил первый автор статьи, директор ресурсного центра «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ кандидат физико-математических наук Артем Рыбкин, исследования и подготовка статьи продолжались около трех лет. Ученые синтезировали качественно новую систему, состоящую из строго упорядоченного графена на магнитной подложке кобальта с ультратонким слоем атомов золота между ними, а затем в деталях изучили новые свойства данной системы.
«Основная часть экспериментальных работ проводилась на уникальной научной установке «Нанолаб», — отметил Артем Рыбкин. — Таким образом, мы подтвердили, что на нашем оборудовании можно провести все стадии исследования — от синтеза системы до проверки ее характеристик».
После выхода статьи работа не остановится: мы планируем продолжить исследования графена для использования его в спинтронике — разделе квантовой электроники, основанном на использовании не только заряда электрона, но и другой его характеристики — спина.
Директор ресурсного центра «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ Артем Рыбкин.
Руководитель проекта «Спинтроника» Российского квантового центра Анатолий Звездин высоко оценил исследование университетских ученых: «Сейчас во всем мире идут активные фундаментальные и прикладные исследования в новой области наноэлектроники, которая получила название спин-орбитроника. Предлагаются новые элементы памяти, логические элементы, нейроморфные устройства, в которых управление осуществляется так называемыми чистыми спиновыми токами, то есть токами, в которых поток спинов через элемент не сопровождается переносом электрического заряда. В этом контексте достижение ученых из СПбГУ трудно переоценить — оно открывает реальные перспективы использования уникальных свойств графена в спин-орбитронных устройствах нового поколения, что позволит радикально повысить энергоэффективность и быстродействие элементной базы».
По словам Артема Рыбкина, одной из областей применения полученного магнитно-спин-орбитального графена может стать квантовый компьютер. Сейчас элементы информации (кубиты) для квантовых вычислений делают в основном на холодных атомах или сверхпроводящих переходах. Основной проблемой прототипов квантовых компьютеров остается скорость: кубиты не успевают сделать нужное количество операций и сохранить результат вычислений из-за взаимодействия с внешней средой. Одним из решений этой проблемы может стать изготовление кубитов на новых «квантовых» материалах — например, на основе магнитно-спин-орбитального графена.
Помимо ученых из Петербургского и Томского государственных университетов, в исследовании приняли участие зарубежные специалисты-теоретики из Института Макса Планка (Германия) и Университета Страны Басков (Испания).
