Спиновые светодиоды (Spin-LEDs) и спиновые лазеры (Spin-Lasers) представляют собой устройства, в которых ключевую роль играет спиновая поляризация электронов, а не только их заряд. В отличие от традиционных оптоэлектронных приборов, здесь учитывается спиновая степень свободы, что открывает новые возможности для управления световой эмиссией и создания устройств с высокой скоростью модуляции.
Спиновая инжекция является центральным элементом работы спиновых светодиодов. Она заключается в передаче спин-поляризованных электронов из ферромагнитного контакта в полупроводниковый слой, где происходит рекомбинация с дырками, сопровождающаяся излучением фотонов. При этом поляризация излученного света напрямую связана со спином носителей, что позволяет создавать источники поляризованного света с высокой степенью управляемости.
Ферромагнитные контакты: Для эффективной спиновой инжекции используются ферромагнитные металлы (например, Fe, Co, Ni) или ферромагнитные полупроводники (GaMnAs). Ключевым параметром является коэффициент спиновой поляризации на границе металл–полупроводник, который определяет эффективность передачи спина.
Полупроводниковые слои: Чаще всего применяются полупроводники III-V группы, такие как GaAs, InGaAs, благодаря высокой эффективной рекомбинации электрон–дырка и возможности получения длинной спиновой жизни носителей. Спиновая длина пробега и время жизни спина определяют дальность, на которой сохраняется поляризация.
Барьерные слои: Для повышения эффективности инжекции используют туннельные барьеры (AlOx, MgO), которые обеспечивают согласование спинового сопротивления и минимизацию рассеяния спина на границе.
Прямая спиновая инжекция: Электроны с определённой ориентацией спина инжектируются в полупроводник, где рекомбинируют с дырками, создавая фотоны с определённой циркулярной поляризацией. Степень поляризации света Pc выражается как:
$$ P_{c} = \frac{I_{\sigma^+} - I_{\sigma^-}}{I_{\sigma^+} + I_{\sigma^-}} $$
где Iσ+ и Iσ− — интенсивности света с правой и левой циркулярной поляризацией соответственно.
Эффект спиновой ориентации: В некоторых полупроводниках спиновые состояния могут быть ориентированы с помощью оптического возбуждения, создавая обратную связь между светом и спиновым состоянием носителей.
Роль спин-диффузии: Расстояние, на которое электроны сохраняют свою поляризацию, определяет эффективную толщину активного слоя. Типичные значения спиновой длины пробега для GaAs при низких температурах составляют несколько микрометров.
Спиновые лазеры представляют собой модификацию традиционных лазеров на полупроводниках, где инжекция носителей осуществляется спин-поляризованными электронами. Основные особенности:
Снижение порогового тока: За счёт создания избыточной спиновой поляризации достигается усиление инверсии населённостей для одного спинового состояния, что уменьшает требуемую плотность инжекции.
Управление поляризацией излучения: Возможность динамического переключения циркулярной поляризации лазерного излучения с помощью электрического тока или магнитного поля.
Высокая скорость модуляции: В спиновых лазерах можно достигать частот модуляции на порядок выше, чем в обычных лазерах, за счёт быстрого обмена спинами между уровнями энергии.
Рекомбинация и спин-рассеяние: В спиновых светодиодах ключевым фактором является время жизни спина τs, которое должно быть сопоставимо или превышать время рекомбинации τr. Тогда коэффициент поляризации излучения можно выразить через:
$$ P_c = \frac{P_0}{1 + \tau_r / \tau_s} $$
где P0 — исходная спиновая поляризация инжектированных электронов.
Спиновая диффузия: Пренебрегать этим эффектом нельзя, так как рассеяние спинов приводит к снижению поляризации света с увеличением толщины активного слоя. Для эффективного устройства спиновая длина пробега должна быть больше толщины активного слоя.
Эффективность спиновой инжекции: Проблема согласования спинового сопротивления на границе металл–полупроводник решается использованием туннельных барьеров или ферромагнитных полупроводников.
Температурная стабильность: При повышении температуры спиновые процессы ускоряются, что уменьшает время жизни спина. Используются материалы с высокой спиновой стабильностью, например GaMnAs или Heusler-сплавы.
Динамическая модуляция: Для высокой скорости переключения необходимо учитывать обратное влияние спиновых состояний на оптическое усиление, что требует точного проектирования резонатора лазера и контроля плотности инжекции.
Квантовая информация: Поляризация фотонов, связанная со спином, позволяет использовать спиновые светодиоды в квантовых сетях и схемах квантовой криптографии.
Оптоэлектронная связь высокой скорости: Высокочастотная модуляция спиновых лазеров делает их перспективными для передачи данных на скорости десятков и сотен гигагерц.
Спинтроника и сенсорика: Возможность измерения спиновой поляризации излучения открывает новые подходы к спиновым сенсорам и интеграции с магнитными устройствами.