Первый в мире мультищелочной источник спин-поляризованных электронов создали сибирские физики

Разработка может улучшить работу коллайдеров. Кроме того, результаты исследований представляют интерес для использования вэлектронной спектро- и микроскопии, а также для создания электронных устройств нового поколения

Ученые Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) в коллаборации с коллегами из других организаций создали новый стабильный источник спин-поляризованных электронов. Он превосходит традиционно используемые аналоги по совокупности параметров — времени жизни, квантовой эффективности и спиновой поляризации электронов. Источник — мультищелочной фотокатод — представляет собойтонкий полупроводниковый слой, который «производит» электроны с одинаковым спином (поляризованные) в ответ на облучение лазером.

Степень поляризации мультищелочного фотокатода — количество «вырабатываемых» спин-поляризованных электронов — составляет 50%. Исследователи рассчитывают повысить ее до ста процентов, модифицируя полупроводниковое соединение. Эксперты отмечают, что в случае достижения 60% степени поляризации, источник будет востребован на строящемся в Сарове коллайдере «Супер чарм-тау фабрика». Поляризация 50% означает, что у 75% электронов спин одинаков.

Подробности совместной работы специалистов ИФП СО РАН, ЗАО «Экран-ФЭП», Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов», Новосибирского государственного университета, Томского государственного университета, Института физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН) опубликованы в журнале Physical Review Letters. Исследование велось при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-12-20024) и Правительства Новосибирской области (p-9).

У электрона есть определяющие его характеристики: масса, заряд и спин. Компьютеры, телефоны, прочие гаджеты работают благодаря тому, что люди научились управлять движением электрона с помощью электрического поля, влияющего на заряд. Предполагается, что управление спином позволит создать спинтронные устройства ― более быстрые и энергоэффективные.

Однако «производство» спинового тока, то есть спин-поляризованных электронов ― непростая задача. А надежный источник (как и детектор) этих частиц нужен и для прикладных применений, и для фундаментальных исследований — при проведении экспериментов на ускорителях заряженных частиц — коллайдерах. Например, в России, в Сарове, на создаваемом электрон-позитроном коллайдере «Супер чарм-тау фабрике» или аналогичном — в Китае. Также поляризованные электроны востребованы и в самых крупных международных проектах — линейном коллайдере в Японии ILC (International Linear Collider) с широким международным участием, китайском двухкольцевом коллайдере CEPC (The Circular Electron Positron Collider).

«Наше открытие в том, что мы установили: полупроводниковое соединение щелочных металлов и сурьмы — мультищелочной фотокатод — хороший источник спин-поляризованных электронов. Степень поляризации электронов у него может быть выше, чем у сложных гетероструктур на основе арсенида галлия (GaAs), которые обычно используются для таких целей. К тому же, у нашего источника дольше время жизни и больше квантовый выход — сотношение испущенных электронов к падающим фотонам, которые инициировали фототок. Мультищелочные фотокатоды изучались с 1930-х годов: они используются в фотоэлектронных умножителях,приборах ночного видения, а также в качестве источников электронов в ускорителях. Но никто не выяснял их потенциал как источника именно спин-поляризованных электронов», ― объясняет заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор НГУ, профессор РАН, доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко, руководивший работой по созданию источника.

По словам главного научного сотрудника Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН доктора физико-математических наук Ивана Александровича Коопа,до сих пор в экспериментах на циклических и линейных ускорителях применялись только арсенид-галлиевые источники.

«Мультищелочные катоды обещают быть менее требовательными к вакуумным условиям, к присутствию в остаточном газе нежелательных примесей. Если говорить о потенциальном использовании нового источника на “Супер чарм-тау” фабрике, нас вдохновляет большая величина квантового выхода мультищелочного фотокатода — аж до 15%. Это примерно на порядок выше, чем у гетероструктур на основе арсенида галлия. Но степень поляризации потребуется более 60%. Этот параметр более важен, чем квантовый выход — последний можно повысить, увеличивая мощность лазера или площадь фотокатода, а вот низкую степень поляризации ничем не восполнишь»,— резюмирует Иван Кооп.

Олег Терещенко отмечает, что повысить степень поляризации источника на основе мультищелочного фотокатода можно до 100%, на это указывают недавние эксперименты.

«Мы будем дальше работать с полупроводниковой структурой, контролируемо менять ее свойства во время роста в вакуумной камере. Мы планируем сформировать полупроводниковую сверхрешетку, что, в перспективе, увеличит поляризацию до 100 %. Степень поляризации электронов будет измеряться в ростовой камере независимым спин-детектором Мотта», — добавляет ученый.

Большая величина квантового выхода источника может пригодиться и для получения поляризованных позитронов, которые нужны при детальном изучении процессов, происходящих при столкновении элементарных частиц.

«В Национальной лаборатории Джефферсона (JLAB) уже провели тестовые эксперименты с электронами, ускоренными до энергии 8 МэВ, которые “бросали” на вольфрамовую мишень, и убедились в почти 100% эффективности передачи поляризации от электронов к позитронам. Однако коэффициент такой конверсии электронов в позитроны очень мал (не более 0.01%), и поэтому важно иметь интенсивный источник поляризованных электронов. В этом случае у мультищелочного фотокатода, наверное, нет конкурентов», — поясняет Иван Кооп.

Как появилась гипотеза

Идея, что полупроводниковое соединение щелочных металлов и сурьмы может быть источником спин-поляризованных электронов, возникла у Олега Терещенко благодаря большому опыту работы с арсенид-галлиевыми фотокатодами. Ранее научная группа О.Е. Терещенко разработала первый в мире полупроводниковый спин-детектор на основе арсенид-галлиевого вакуумного спинового фотодиода. В новом исследовании ученые использовали детектор, чтобы проверить работу источника спин-поляризованных электронов. Измерения провел молодой научный сотрудник ИФП СО РАН, ученик О.Е. Терещенко кандидат наук Владимир Андреевич Голяшов — он измерил спиновую поляризацию с пространственным разрешением. Для мультищелочного фотокатода это было сделано впервые.

«Из литературы нам была известна электронная (зонная) структура полупроводникового кристалла антимонида щелочных металлов (KNa2Sb), которая, на удивление, оказалась похожей на электронную структуру арсенида галлия. Я попросил наших коллег из ИФПМ СО РАН в Томске провести расчеты ― численное моделирование зонной структуры KNa2Sb, только с учетом спин-орбитального взаимодействия. Из полученных данныхстало видно, что, с высокой вероятностью, полупроводниковый кристалл на основе соединения щелочных металлов и сурьмы, будет продуцироватьспин-поляризованные электроны при облучении светом с круговой поляризацией. Проверить это предположение в эксперименте я попросил своего аспиранта Вадима Русецкого», ― говорит Олег Терещенко.

«Самое сложное было поверить в то, что мы увидели»

Прежде всего, ученым нужно было провести предварительные тесты: «Я измерил ключевой параметр ― поляризованную фотолюминесценцию, и установил, способен ли кристалл KNa2Sb испускать свет с круговой поляризацией. Это необходимое условие, если бы оно не выполнялось, мы бы дальше не работали с соединением. Поляризованная фотолюминесценция обнаружилась и оказалась неожиданно высокой ― 23%! А чем больше ее величина, тем дольше и время жизни спин-поляризованных электронов ― соответственно,больше их количество, которое можно зарегистрировать.

Честно говоря, самое сложное было сначала поверить в то, что мы увидели, а потом тщательно перепроверить, убедиться, что нет ошибки в измерениях», ― рассказывает Вадим Сергеевич Русецкий, сотрудник лаборатории физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, первый автор статьи в Physical Review Letters.

«Отзывы всех рецензентов статьи оказались положительными и даже поздравительными — такое бывает редко. Судя по вопросам, рецензенты были удивлены, как и мы, поскольку кто-то из экспертов считал мультищелочные соединения аморфными, кто-то — поликристаллическими, в которых не должно быть спин-поляризованной физики. А наши полупроводниковые соединения удалось вырастить монокристаллическими, и в них проявились нужные эффекты», — продолжает Олег Терещенко.

Совместная работа с предприятием

Следующий этап научной работы подразумевал создание источника спин-поляризованных электронов и определение его эффективности. Для этого исследователи, в коллаборации с ЗАО «Экран ФЭП», изготовили вакуумный фотодиод, у которого с одной стороны располагался мультищелочной полупроводниковый фотокатод KNa2Sb, а с другой ― полупроводниковый детектор спин-поляризованных электронов на основе арсенида галлия. Облучив фотокатод поляризованным светом, можно «извлечь» из него электроны с одинаковым спином, а детектор их зарегистрирует.

Все характеристики нового источника спин-поляризованных электронов на основе соединений сурьмы и щелочных металлов ученые сравнивали со «стандартом» ― арсенид-галлиевым источником, на нем же проверялась и корректность работы оптической схемы.

«Мы убедились, что наша оптическая схема правильно отъюстирована, наши результаты коррелируют как с теоретическими расчетами, так и с измерениями характеристик для хорошо известного арсенид-галлиевого фотокатода», ― заключает Вадим Русецкий, отвечавший за создание оптической схемы, измерения и их проверку.

«Все параметры нового источника измерялись “на воздухе” в созданном нами компактном приборе — вакуумном спиновом фотодиоде, который также может использоваться как “таблетированный” (небольшой) источник спин-поляризованных электронов непосредственно в фотоинжекторах современных коллайдеров», ― подчеркивает Олег Терещенко.

Дальнейшую работу по усовершенствованию источника поляризованных электронов на основе мультищелочного фотокатода ученые ИФП СО РАН продолжат, сотрудничая с коллегами из ЗАО «Экран ФЭП», ИЯФ СО РАН и специалистами других научных организаций.