Источник: Наука и жизнь
Привычный прибор ночного видения позволил новосибирским физикам создать первые в мире источник спин-поляризованных электронов на основе фотокатода и спиновый триод, а также уникальные фотоприёмники для отечественного космического телескопа «Спектр-УФ».
Рассказывает доктор физико-математических наук Олег ТЕРЕЩЕНКО, профессор РАН, заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур Института физики полупроводников Сибирского отделения РАН.
Современная полупроводниковая электроника, в середине XX века при шедшая на смену вакуумным электронным лампам, привела к огромным достижениям и дала нам массу возможностей. Однако уже достаточно давно стало понятно, что её прогресс не бесконечен. Рано или поздно, а точнее уже скоро, она подойдёт к своему пределу. Но что придёт ей на смену? В 1980-х годах появились полу проводниковые устройства с вакуумным зазором вместо диэлектриков. Это даже породило выражение «Back to the Future» («назад в будущее»). Примерно в то же время родилась и спинтроника (См. статью: А. Понятов «Спин: ориентация в будущее», «Наука и жизнь» № 4, 2016 г. – Прим.ред.), активно развиваемая последние 30 лет.
Дело в том, что электрон помимо таких интуитивно понятных характеристик, как масса и заряд, обладает спином — собственным магнитным моментом. Одна из основных задач спинтроники — научиться управлять электронами через их спин. Расчёты показывают, что это должно быть значительно менее энергозатратно и гораздо быстрее, чем в традиционной полупроводниковой электронике, основанной на управлении зарядом. Наша научная группа сумела объединить эти два подхода и начала развивать новое направление, которое назвали вакуумной спинтроникой. А оттолкнулись мы от уже привычного фотокатода, основного элемента, например, такого устройства, как прибор ночного видения. Работа многих фотоэлектронных приборов связана с фотоэффектом — хорошо известном из школьного курса физики физическом явлении, объяснённом Эйнштейном, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году.
Внешний фотоэффект состоит в том, что фотоны вырывают с поверхности металла или полупроводника электроны, и таким образом те становятся свободными. Почти вся физика приборов, о которых мы будем говорить, основана на этом эффекте для полупроводников. В случае вакуумных приборов электроны из фотокатода выбрасываются в окружающий вакуум.
«Не так просто вырвать электрон из твёрдого тела»
Сложность в том, что не так просто вырвать электрон из твёрдого тела, необходимо преодолеть работу выхода материала. А для этого требуется относительно большая энергия — 5—6 электронвольт (эВ), что соответствует ультрафиолетовому излучению. Отчасти по этой причине в нашей обыденной жизни практически отсутствуют свободные электроны — электронный газ. Для значительного снижения работы выхода и получения эффективного фотоэмиттера (в идеале на каждый поглощённый фотон из него должен вылетать электрон) на поверхность полупроводника наносят или адсорбируют буквально один монослой электроположительных атомов щелочных металлов, толщина которого составляет всего 1 нанометр. Если мы уменьшаем работу выхода материала, снижая тем самым барьер для выхода электронов, то сможем выбивать электроны из вещества, облучая его фотонами гораздо меньшей энергии, более длинноволновым излучением.
Фотокатоды цезий-йод — ключевая часть электронно-оптических преобразователей для «глаз» обсерватории «Спектр-УФ».
Фото Надежды Дмитриевой
В результате получается довольно эффективно вырывать электроны, освещая полупроодниковый катод излучением с длинами волн в диапазоне 700—900 нм (это соответствует энергии фотона 1,4—1,7 эВ), то есть инфракрасным излучением, которое наш глаз не воспринимает. Напомню, что наш глаз чувствителен к длинам волн в диапазоне 400—700 нм. Далее приложенная разность потенциалов, как в телевизорах с кинескопом, направляет вырванные электроны на люминофорный экран, что позволяет увидеть картину, создаваемую инфракрасным излучением. Так работает прибор ночного видения, или, как его ещё называют, электронно-оптический преобразователь.
Вакуумный спиновый диод и спиновый триод
В каком-то смысле мы провели «конверсию» и сделали на основе прибора ночного видения два типа приборов, которые можно отнести к области спинтроники, — это вакуумный спиновый диод и спиновый триод. Если создать поток электронов с одинаково ориентированным спином, то этот поток электронов будет называться спин-поляризованным. Такой поток можно создать, например, освещая полупроводниковый фотокатод поляризованным светом, фотонами, которые имеют определённую круговую поляризацию. Три года назад нам удалось открыть новый эффективный источник спин-поляризованных электронов на основе мультищелочного фотокатода (Na2 KSb) Phys. Rev. Lett 129, 166802 (2022).
Следующим шагом нам нужно было научиться эффективно детектировать спин электрона, а для этого необходим спин-детектор. Красивой идеей оказалась возможность создания детектора, по устройству такого же, как источник спин-поляризованных электронов. Это позволяет симметрия относительно обращения времени уравнений Шрёдингера и Максвелла, которые описывают электрон и его взаимодействия: если обратить время, то есть направить электрон обратно в фотокатод, то этот электрон рано или поздно рекомбинирует с дыркой и высветит фотон, который будет иметь поляризацию электрона. А по измерению поляризации фотонов мы сможем сказать о поляризации электронов. Но затем мы придумали значительно более стабильный и удобный в использовании спин-детектор (Phys. Rev. Lett 134, 157002 (2025). Нам удалось сделать спин-фильтр, который представляет собой очень тонкую ферромагнитную плёнку, фактически это наномембрана толщиной всего от 3 до 5 нанометров. Если намагнитить эту ферромагнитную нано мембрану в определённом направлении, о её прохождение оказывается разным для электронов с разной поляризацией (спином).
«Первый в мире спин-детектор с пространственным разрешением»
В результате проходят только те электроны, поляризация которых совпадает с направлением намагниченности ферромагнитной наномембраны. То есть при прохождении такой плёнки поляризованными электронами происходит их фильтрация по спину. Это очень похоже на работу оптического линейного поляризатора. Например, в повседневной жизни мы сталкиваемся с этим явлением, используя поляризационные очки. Электрон, в отличие от фотонов, не поглощается, он есть всегда (за исключением случаев, когда мы имеем дело с физикой высоких энергий). Но аналогия с оптикой тут напрашивается. В конечном счёте измеряется ток про шедших электронов и, таким образом, получается спин-детектор.
Причём это первое в мире устройство, в котором детектирование спина электронов осуществляется с помощью их фильтрации через наномембрану. Кроме того, это и первый в мире спин-детектор с пространственным разрешением, в котором возможна передача изображения в поляризованных электронах, что позволяет собрать на не сколько порядков больше информации в единицу времени. Эффективность нашего прибора значительно выше, чем у других существующих детекторов спина электронов, а срок службы дольше — годы. Мы создали спин-детектор для решения задач твердотельной и вакуумной спинтроники. В частности, эти технологии нуждаются в кристаллах со спин-поляризованными электронами. Дело в том, что в кристаллах электроны распределены по энергии и могут двигаться только определённым образом. Это распределение задаёт связь между энергией электрона и его импульсом и фактически определяет электронные свойства кристалла, а они, в свою очередь, определяют характеристики электронных элементов, например транзисторов, от которых зависит работа электронных приборов и устройств (на пример, современных телефонов и пр.).
Поскольку электрон, помимо связи энергии и импульса, имеет спин, то в кристалле он может находиться в поляризованном состоянии. Но как узнать, что в каком-то кристалле есть спин-поляризованные электроны? Чтобы измерить и связь между импульсом и энергией электрона, и его поляризацию, используют фотоэмиссию или внешний фотоэффект, с которого мы начали разговор. Для определения связи между энергией и импульсом применяют энергоанализаторы, а вот для измерения поляризации электронов и нужен наш спин-детектор. Мы разместили в герметичном корпусе источник спин-поляризованных электронов и детектор напротив друг друга, разделив вакуумным промежутком.
«Спиновый триод, или спинтрон, можно сказать, получился по ходу дела»
Таким образом получился вакуумный спиновый диод, который можно рассматривать как элемент вакуумной спинтроники. Облучив фотокатод поляризованным светом, можно «извлечь» из него электроны с одинаковым спином, а детектор их зарегистрирует. А спиновый диод можно использовать для передачи информации, закодированной с помощью спина электрона. Спиновый триод, или спинтрон, можно сказать, получился по ходу дела. Нам нужно было как-то проверить работу магнитного спин-фильтра. И самая простая идея, которая пришла в голову и потом оказалась очень правильной, — в качестве основы взять приборы ночного видения, с чего мы и начали разговор. Этот прибор устроен так: есть фотокатод (источник электронов), умножитель электронов (микроканальная пластина) и люминофорный экран, разделённые вакуумными промежутками. Эту конструкцию мы дополнили: на микроканальную пластину нанесли нашу магнитную наномембрану — спин-фильтр.
Напрашивается аналогия с электронной лампой — триодом, широко используемой в дотранзисторную эпоху. Её название связано с наличием трёх электродов: катода, управляющей сетки и анода. В электронной лампе ток между катодом и анодом управлялся через за ряд электронов подачей электрического потенциала (напряжения) на сетку. В спиновом триоде тоже три элемента: катод, наномембрана, заменившая сетку, и экран. Но управление током происходит через спин электронов перемагничиванием наномембраны. Таким образом, мыпропускаем или запираем ток электронов из фотокатода. Это первый в мире спиновый триод. Чем этот прибор так важен? Можно выделить два прикладных аспекта. Один из них касается перспективы развития нового направления, которое мы назвали вакуум ной спинтроникой. Пока спиновый триод довольно больших размеров — минимальный размер пикселя, который используется для фильтрации спин-поляризованных электронов, составляет 6 микрон, при толщине самой мембраны 5—7 нанометров. Но постепенно всё это будет миниатюризироваться и в будущем позволит создавать новую вакуумную элементную базу для приложений спинтроники. Второй аспект — спин-триод позволил нам испытать и показать эффективность созданного нами спин-детектора на основе магнитной наномембраны.
Так выглядит спинтрон в сравнении с вакуумной лампой.
Фото Надежды Дмитриевой
Следующий шаг, который мы сейчас делаем, — испытание спин-детектора в лабораторном фотоэмиссионном спектрометре, обладающем угловым разрешением. Уже получены первые спектры. Сейчас мы готовимся к главному событию — запуску фотоэлектронного спектрометра на синхротроне СКИФ и последующему переносу спин-детектора на синхротрон. Наша группа разработала фотоэмиссионную станцию для изучения электронной и спиновой структуры кристаллов на синхротроне СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов. — Прим. ред.), что важно для электроники, наноэлектроники и спинтроники. Станция так и называется — «Электронная структура» и должна быть собрана к концу 2025 года. Сомнений нет: будет создана очень эффективная исследовательская установка. И как раз на эту станцию, точнее, на энергетический анализатор, мы и хотим установить наш спин-детектор, какого пока в мире ни у кого нет.
«Правильно приложить голову и руки»
Сейчас мне пишут коллеги из Японии, Китая и даже Германии, задают один вопрос: как сделать такой спин-детектор? Конечно, всех деталей я не рассказываю. Но, по сути, и мы не с чистого листа начинали. Практически всё можно найти в литературе, в уже опубликованных работах, и, как это бывает, нужно просто правильно приложить голову и руки. Это общее правило, не только в науке. Комбинация нашего прибора с использованием синхротронного излучения СКИФ позволит очень эффективно находить новые материалы с новыми свойства ми для последующего изучения возможного их применения в микроэлектронике, наноэлектронике, спинтронике, конечной целью которых является изготовление новых приборов. Основная цель сейчас — поиск новых материалов, которые расширят наши технологические возможности. Именно для этого мы сделали спин-детектор: он позволит эффективно находить материалы, в которых можно использовать поляризационные свойства электрона. А другая цель — развитие вакуумной спинтроники.
Научная группа, работающая над новыми применениями фотокатода: Олег Терещенко, Анастасия Микаева и Владимир Голяшов.
Фото Надежды Дмитриевой
Например, усовершенствование транзистора. Приблизительно самый простой современный транзистор устроен так: кремниевый полупроводник, на нём — диэлектрик, обычно SiО2, и на диэлектрике — металл (затвор). Для управления током полупроводника на затвор прикладывается напряжение, и таким образом транзистор открывается или закрывается (включает/ выключает ток в полупроводнике). Опять же напрашивается аналогия с электрон ной лампой. Уже достаточно давно люди пытаются заменить диэлектрик SiО2 на вакуумный промежуток, то есть сделать «транзистор» с вакуумным зазором. Это открывает интересные перспективы раз вития вакуумной электроники.
Природа нам подарила «идеальную» границу раздела между кремнием и диоксидом кремния SiО2 в виде плёнки, покрывающей поверхность кремниевой пластины, поэтому основная электроника (телефоны, компьютеры, телевизоры и пр.) является кремниевой, хотя сам кремний — далеко не самый лучший материал по электронным свойствам. Есть гораздо лучше. С точки зрения быстродействия транзистора полупроводниковые соединения элементов III и V групп периодической системы АIIIВV гораздо более привлекательные, но с ними сложно работать, границу раздела с диэлектриком очень трудно сделать «идеальной». Если же вместо диэлектрика мы используем вакуумный зазор, то освобождаемся от границ раздела материалов, они разделены вакуумным промежутком. В вакууме электронам не на чем рассеиваться. Следовательно, можно увеличить быстродействие, уменьшить потери энергии. К тому же, если нет границ раздела, значит, нечему деградировать, а это радиационная стойкость и возможность увеличивать мощность приборов. Судя по опубликованным статьям, такими разработками начинали заниматься в NASA, но сейчас новых работ не видно — это может означать, что у них пошли серьёзные разработки, которые не публикуются.
Изображения в спин-поляризованных электронах, полученные с помощью спинтрона. Надпись «spin» создана фильтрацией поляризованных электронов со спином «вверх», а «1925» — «вниз».
Фото предоставлено Олегом Терещенко
В наших же планах попытаться продвинуться ещё дальше: сделать полупроводниковый вакуумный элемент, возможно, в комбинации с наномембранным спин-фильтром для управления спин-поляризованным током. Мы стараемся от фундаментальных задач идти к прикладным. При этом, создавая вакуумные полупроводниковые приборы, что требует уже развитой технологии, мы создаём себе возможность заниматься интересной физикой, которой до нас ни у кого не было возможности заняться.
Хотя и утверждается, что в полупроводниках и, в целом, в материаловедении уже не осталось фундаментальных задач, но это, как выясняется, совсем не так. Развитие технического и научного направления происходит наиболее интенсивно, если знания рождают технологии, которые заканчиваются прибором, позволяющим делать прорывные шаги за горизонт наших знаний о мире, в котором мы живём. Вот ещё одна интересная задача, близкая к фундаментальной, — использование нашего источника спин-поляризованных электронов в новых коллайдерах для изучения физики высоких энергий. И, наконец, имея в распоряжении спин поляризованный источник электронов и спин-детектор, мы планируем изучить воздействие спин-поляризованных электронов на возникновение хиральных молекул. (Хиральность — отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны, когда объект не может быть совмещён со своим отражением в зеркале. — Прим. ред.) Эта работа мотивирована вопросом о происхождении селективной хиральности в природе.
«Могли ли электроны являться начальным триггером запуска селекции молекул, из которых затем сформировались первые биомолекулы и, наконец, жизнь?»
Большинство биомолекул могут быть синтезированы как в прямом, так и в зеркальном отображении. Однако в живых организмах аминокислоты всегда лево сторонние, а сахара — правосторонние. Происхождение этого нарушения хиральной симметрии (гомохиральности) до сих пор остаётся неясным и является главной загадкой в возникновении жизни. Одна из идей объяснения этого факта заключается в том, что на начальных этапах селекция происходила за счёт воздействия спин поляризованных электронов на хиральные молекулы, и в результате произошёл такой дисбаланс. Или это был результат воздействия поляризованных электронов на образующиеся и распадающиеся молекулы. Хотелось бы ответить на этот интереснейший и важный вопрос. В природе нам пока известно лишь одно фундаментальное взаимодействие, так называемое слабое, при котором законы меняются при зеркальном отражении системы. В результате слабому взаимодействию подвержены только «левые» электроны, спин которых направлен противоположно импульсу.
По гипотезе Вестера — Ульбрихта воздействие таких электронов может разрушать или способствовать синтезу молекул с определённой хиральностью. Подтверждение этой гипотезы, возможно, приведёт к ответу на сакраментальный вопрос о происхождении жизни. Мы попытаемся поставить эксперимент по рассеянию спин-поляризованных электронов на хиральных молекулах, который покажет, могли ли электроны являться начальным триггером запуска селекции молекул, из которых затем сформировались первые биомолекулы и, наконец, жизнь. Планируется реализовать три независимых эксперимента: рассеяние спин-поляризованных электронов на хиральных молекулах в газовой фазе, спин-зависимую сканирующую туннельную микроскопию и фотоэмиссию. Более детально о готовящихся экспериментах и физике спин-поляризованных элект ронов рассказывалось на семинаре ФТИ им. А. Ф. Иоффе 19 мая 2025 года (С материалами семинара можно ознакомиться по ссылке).
Надеемся, что с помощью разработанных нами источников спин-поляризованных электронов и спин-детектора у нас по лучится ответить на этот вопрос. Как раз на данную тему мы получили в этом году грант РНФ (№ 25-62-00004).
«Получать ранее недоступные данные о Вселенной»
Мы начали наш разговор с приборов ночного видения, главный составляющий элемент которых — фотокатод. Фактически, используя такую же конструкцию, мы изготовили устройство — электронно-оптический преобразователь, предназначенный для улавливания одной из составляющих космического из лучения — вакуумного ультрафиолета, что позволит телескопу получать ранее недоступные данные о Вселенной. Для этого мы заменили полупроводниковый (GaAs, Na2KSb) фотокатод, чувствительный в инфракрасной области спектра, на соединение цезий-йод, чувствительное в УФ диапазоне. Несмотря на то, что исследование и создание фотокатодов является традиционным направлением нашей лаборатории, с соединением цезий-йод мы раньше не имели дела.
Поэтому, когда возник интерес со стороны коллег из Института астрономии РАН (ИНАСАН), мы осваивали технологию на ходу — разработали процесс изготовления фотокатодов, дополнительное оборудование и выяснили, какая конструкция позволит добиться максимальной квантовой эффективности. Институт астрономии РАН обратился к нам с предложением сделать ультрафиолетовые фотоприёмники для диапазона длин волн 100—300 нм (0,1—0,3 мкм). В 2031 году планируется запуск орбитального телескопа «Спектр-УФ», который будет получать данные о Вселенной в ультрафиолетовом диапазоне. Одной из задач этого крупного проекта станет поиск биологических маркеров (признаков вне земной жизни). Возможно, также удастся ответить на вопросы, возникли первые биомолекулы в космосе или на Земле и где возник дисбаланс хиральных молекул, о котором мы говорили выше. Сейчас мы продолжаем отрабатывать технологию роста фоточувствительного цезий-йод слоя, оптимизировать в целом конструкцию электронно-оптического преобразователя. Хотим сделать её такой, чтобы на фоточувствительной поверхности фотокатода выделялось как можно больше электронов в ответ на поглощённые фотоны.
Результаты недавней калибровки, проведённой в ИЯФ СО РАН, показали, что квантовая эффективность первых тестовых устройств составляет 40% (говоря упрощённо, 100 фотонов «производят» 40 электронов), что существенно превышает пороговые значения, обязательные для «Спектр-УФ». Это — рекордное значение для такого типа устройств. Ранее подобного значения достигали только в Японии, в компании «Хамаматсу». К тому же раз работка превосходит испанские аналоги, которые планировалось использовать для телескопа раньше. Теперь мы можем сказать, что телескоп «Спектр-УФ» полностью отечественный, до каждой детали.
В дальнейшем мы планируем расширить диапазон чувствительности электронно-оптического преобразователя с цезий-йод фотокатодом в область рентгеновских лучей до энергий фотонов 10 кэВ, возможно, и выше. Сегодня видно, насколько удачной и универсальной оказалась конструкция электронно-оптического преобразователя, позволяющая создавать как фотодетекторы для различного диапазона излучения, так и совершенно новые устройства на основе спин-поляризованных электронов и спин-зависимых эффектов. В наших планах показать возможность расширения диапазона детектирования электромагнитных волн, используя универсальную конструкцию электронно-оптического пре образователя, от жёсткого рентгеновского и вплоть до терагерцового излучения.
Материал подготовила Наталия ЛЕСКОВА.
Подзаголовки – Надежда Дмитриева