Новая жизнь фотокатода
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 проекта «Спектр-УФ».
Современная полупроводниковая электроника, в середине XX века пришедшая 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 полупроводниковые 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, активно развиваемая последние 30 лет (см. статью: А. Понятов «Спин: ориентация в будущее»,«Наука и жизнь» № 4, 2016 г. — Прим. ред.). 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.
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. В результате получается довольно эффективно вырывать электроны, освещая полупроводниковый 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.
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 (Na2KSb)*. Следующим шагом нам нужно было научиться эффективно детектировать спин электрона, а для этого необходим спин-детектор.
*Phys. Rev. Lett 129, 166802 (2022).
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**. 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 наномембрану в определённом направлении, то её прохождение оказывается разным для электронов с разной поляризацией (спином). 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.
**Phys. Rev. Lett 134, 157002 (2025).
В конечном счёте измеряется ток прошедших 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 несколько порядков больше информации в единицу времени. Эффективность нашего прибора значительно выше, чем у других существующих детекторов спина электронов, а срок службы дольше — годы.