Материал графен не перестаёт удивлять. На этот раз в Санкт-Петербургском университете ему придали свойства одновременно кобальта и золота. Соответственно, его наделили магнетизмом и спин-орбитальным взаимодействием.

Графен — самый лёгкий и прочный из всех существующих на сегодня материалов, к тому же обладающий высокой электропроводностью. Оказалось, что при взаимодействии с кобальтом и золотом он не только сохраняет свои уникальные характеристики, но и частично перенимает их свойства!

Уникальную модификацию графена впервые в мире создали 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 ещё 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 у последнего спин-орбитального взаимодействия, равно как и взаимодействие кобальта с графеном намагничивает его».

Как отметил один изглавных участников исследования, директор ресурсного центра «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ кандидат физико-математических наук Артём Рыбкин, исследования и подготовка статьи продолжались около трёх лет.

В итоге была синтезирована качественно новая система, состоящая из строго упорядоченного графена на магнитной подложке из кобальта и с ультратонким слоем атомов золота между ними, а затем изучены её свойства.

«Основная часть экспериментальных работ проводилась на уникальной научной установке «Нанолаб», — подчеркнул Артём Рыбкин. — Таким образом, мы подтвердили, что на нашем оборудовании можно провести все стадии исследования — от синтеза системы до проверки её характеристик. В дальнейшем 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».

Руководитель проекта «Спинтроника» Российского квантового центра Анатолий Звездин высоко оценил исследование университетских ученых: «Сейчас во всём мире идут активные фундаментальные и прикладные исследования в новой области наноэлектроники — спин-орбитронике. Предлагаются новые элементы памяти, логические элементы и 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 достижение учёных 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».

Одной из областей применения полученного магнитно-спин-орбитального графена наверняка станет квантовый компьютер. Сейчас элементы информации (кубиты) для квантовых вычислений делаются 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.

В исследовании принимали самое деятельное участие Томский госуниверситет, Институт Макса Планка (Германия) и Университет Страны Басков (Испания). Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Американского химического сообщества Nano Letters.