Физики нашли способ управлять спиновыми потоками с помощью тепла и света

В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что разность температур между двумя разными металлами порождает электрическое напряжение. Этот эффект, а затем эффекты Пельтье и Томсона, легли в основу термоэлектричества — области физики, где тепло напрямую преобразуется в электрический ток и наоборот. Сегодня у термоэлектричества появился «родственник» — спиновая калоритроника, связывающая тепловой поток не с зарядом, а со спином частиц.

Что такое спиновый ток и почему он важен

Спин — собственный момент импульса частицы, который делает её крошечным магнитом. В 2008 году учёные впервые наблюдали спиновый эффект Зеебека: перепад температуры создаёт чистый спиновый ток без переноса заряда. Позже был открыт спиновый эффект Нернста, где спиновый ток течёт поперёк теплового градиента. Однако обычные электронные системы имеют недостатки: они греются, требуют низких температур и связывают спин с зарядом, что мешает чистому управлению.

Исследователи давно искали системы, в которых такие эффекты возникали бы без нагрева от тока. Такой системой стал газ экситонных поляритонов — квазичастиц, сочетающих свойства света и вещества. Поляритоны рождаются, когда свет запирают между двумя зеркалами микрорезонатора и заставляют его взаимодействовать с экситонами (парами электрон-дырка) в полупроводниковых квантовых ямах. При сильной связи фотон и экситон сливаются в единую квазичастицу.

Как поляритоны помогают управлять спином

От света поляритоны наследуют лёгкость и подвижность: они могут баллистически (почти без столкновений) пролетать сотни микрометров даже при не очень низких температурах. От электрона — способность взаимодействовать с окружением и чувствовать магнитное поле. Роль спина у поляритона играет поляризация света. Её описывают псевдоспином — вектором, показывающим, какая циркулярная поляризация преобладает. Поведение псевдоспина управляется эффективным магнитным полем, которое зависит от скорости поляритона и включает TE–TM-расщепление (внутреннее спин-орбитальное взаимодействие) и зеемановское расщепление (внешнее магнитное поле).

Температура играет ключевую роль: поляритонный газ не находится в строгом тепловом равновесии, поэтому для него вводят эффективную температуру — меру средней кинетической энергии. Её можно менять светом: при нерезонансной накачке лазер нагревает кристаллическую решётку, создавая локальный перепад температур в несколько градусов Кельвина. Подбирая длину волны накачки или используя микронагреватели, можно формировать температурный ландшафт с горячим центром и холодными краями на расстоянии в сотни микрометров.

Седов и Кавокин построили кинетическую теорию, описывающую, как тепловой градиент рождает потоки частиц и псевдоспина. Они рассмотрели плоский полупроводниковый микрорезонатор с непрерывной оптической накачкой. В такой системе поляритоны движутся под действием эффективного магнитного поля, а поверх наложен плавный температурный профиль. Учёные описали три ключевых эффекта:

• Оптический эффект Зеебека — при выключенных расщеплениях тепловой градиент создаёт радиальный поток частиц от горячего к холодному.
• Оптический спиновый эффект Зеебека — при включении внешнего магнитного поля (зеемановское расщепление) возникает поток циркулярной поляризации (спиновый ток).
• Оптический спиновый эффект Нернста — при включении только TE–TM-расщепления спиновый ток течёт поперёк теплового градиента (азимутально).

Самое интересное — когда оба механизма работают вместе: внешнее магнитное поле создаёт радиальный спиновый ток, а TE–TM-поле, не разводя циркулярные поляризации, может ослабить или даже полностью обратить этот ток. Этот эффект авторы назвали продольным оптическим спиновым эффектом Нернста. Результаты опубликованы в журнале npj Nanophotonics.

Работа имеет важное значение для спинтроники — области, где информация кодируется не зарядом, а спином. Возможность управлять спиновыми токами с помощью тепла и света без проводов открывает путь к новым типам устройств с низким энергопотреблением, а также к оптическим аналогам термоэлектрических приборов. «Главная мысль нашей теории проста: поляритоны позволяют реализовать эффекты, которые в электронных системах требуют сложных условий, и делают это чисто оптически», — отметил Евгений Седов.