Naujos technologijos ir gilesnis pažinimas atveria galimybes realizuoti idėjas, kurios nors ir žinomos, bet laukia savo laiko. Nors ekspertai prognozuoja, kad 21 amžius bus šviesos technologijų arba fotono amžius, pakeisdamas dabar dar vyraujančią elektroniką ir prabėgusį elektrono amžių, tačiau jau dabar kuriamos visiškai naujos technologijos spintronikos srityje. Būtent apie šią naujovę bei technologines galimybes, žadančias ženkliai daryti įtaką aukštadažnei elektronikai, skaičiavimo technikai, sukurti naujo tipo sensorius, kompiuterinės atminties bei optoelektroninius modulius, bus kalbama šiame straipsnelyje.

   Prieš keletą metų buvo pažymėtas elektrono atradimo šimtmetis - tai įvyko 1898 m. garsiojoje Kavendišo laboratorijoje. Dabar kiekvienas mokinukas iš G. G. Tomsono darbo žino, kad elektronas turi masę ir krūvį. Šio krūvio kuloninė sąveika su branduoliu diktuoja elektronui tam tikrus jo elgsenos variantus: ji aprašoma trijų kvantinių skaičių kombinacijomis, kurie nurodo tris laisvės laipsnius. Pagrindinis kvantinis skaičius, n = 1, 2, 3 ..., kvantuoja elektrono orbitą ir energiją joje. Kiekvienoje orbitoje skriejantis elektronas išlaiko savo kampinį momentą l: jo vertė vėlgi kvantuojama nuo 0, 1, 2 ... iki n-1, kintant orbitai nuo apskritiminės iki sudėtingesnės. Kampinio momento kryptį erdvėje nurodo trečiasis skaičius m_l, turintis (2 l +1) verčių nuo l, l-1..., 0, -1, ...iki - l, kurios nurodo kiekvienos orbitos leidžiamą plokštumos padėtį atžvilgiu išorinio magnetinio lauko; jis taip pat kvantuojamas. Beje, nors plokštumos orientacijos skirtingos, bet energijos - vienodos, o tai vadinama elektrono išsigimimu. Patalpinus šiuos atomus magnetiniame lauke šis išsigimimas dingsta: elektrono energija kiekvienoje orbitoje pasidaro priklausoma nuo jos orientacijos atžvilgiu magnetinio lauko krypties. Šių trijų skaičių aprašyti eksperimentiškai stebėtam anomaliajam Zėmano efektui nepakako - spektrinių linijų skaičius išoriniame magnetiniame lauke buvo dukart didesnis nei leido optinių šuolių atrankos taisyklės. Negi reikia dar vieno kvantinio skaičiaus elektronui? Net garsusis Volfgangas Paulis, nustatęs elektronų skaičiaus kvantavimo orbitose taisykles, nesugebėjo suvokti šio reiškinio priežasties ir liūdnas klaidžiojo Kopenhagos gatvėmis, o vienai apie jo liūdesio priežastį pasiteiravusiai moteriškei pasakė: "Madam, negaliu suvokti anomalaus Zėmano efekto prigimties". O paslaptis buvo ta, jog elektronas sukasi apie savo ašį ir turi savąjį kampinį momentą - sukinį (angl. spin). Dvi sukinio vertės m_s =1/2 arba m_s = -1/2 atitinka dvi elektrono sukimosi kryptis ir jo momento projekcijas išorinio lauko kryptimi. Taigi šiandien keturiais kvantiniais skaičiais visiškai nusakomas ieškomas elektronas ir prognozuojamos jo savybės.

   Taigi spintronikoje (angl. spintronics), kurią galima vadinti sukinio elektronika arba magnetoelektronika) elektrono sukinys taip pat svarbus kaip ir jo krūvis. Kaip sukurti reikiamą elektrono sukinį, jį kontroliuoti ir valdyti? Kaip sukurti srovę, kurioje dominuotų vieno sukinio elektronai? Kaip ją valdyti? Kokios medžiagos perspektyvios šiai krypčiai, paremtai sukinių orientacija? Klausimų buvo be galo daug. Ir tik pastarajame dešimtmetyje pažangios technologijos leido ne tiktai plėtoti sukinio sąlygotų efektų tyrimus, bet tuo pat metu žinomos kompanijos - IBM, Motorola, Honeywell, Bell Labs, Lucent technologies, NRL - pradėjo paieškas, kaip realizuoti sukinio sąlygotus efektus elektronikoje: RAM devices, quantum computers, sukinio tranzistorius ir pan. Honeywell jau pademonstravo 16 kb atmintį, kuri gali dirbti kosmose (stiprios radiacijos aplinkoje). Šis įrenginys pagrįstas gigantiškos magnetovaržos (GMR) efektu, leidžiantis sukurti 50 Gb atminties bloką, teigia IBM. Tačiau siekiant geriau suvokti pritaikymų sritis, verta būtų pakalbėti apie sukinio sąlygotų efektų įvairovę ir ypatumus magnetinėse medžiagose, puslaidininkiuose, šviesos ir sukinio kombinacijas...

   Tiriant srovę feromagnetiniuose metaluose - Fe, Co, Ni, kilo hipotezė, jog tai kvantomechaninis efektas, sąlygotas elektrono sukinio. Būdingas feromagnetikams energetinių būsenų suskilimas ir šių būsenų skirtinga užpilda sukuria tuo didesnį magnetinį momentą, kuo didesnis skirtumas būna tarp elektronų skaičiaus šiose skirtingose būsenose. Tačiau esant metale, pvz. Cu, elektronų su sukiniu "aukštyn" ir "žemyn" skaičiui vienodam, Cu magnetinis momentas būna nulinis, o srovė - neorientuota, arba nepoliarizuota.

   Orientuoto sukinio elektronų tuneliavimo per barjerą eksperimentai patvirtino šias mintis. Buvo padaryta paprasta magnetinė sklendė: du ploni feromagnetikų sluoksniai (Fe ir Co plėvelės) buvo atskirti Ge barjeru. Pro barjerą elektronai prasiskverbdavo tik išoriniu magnetiniu lauku orientavus sukinius ta pačia kryptimi abiejose barjero pusėse: tuomet dėl skirtingų užpildų tai pačiai spino orientacijai kairėje ir dešinėje barjero pusėje elektronai skverbdavosi pro barjerą. Bet jei kitoje barjero pusėje sukiniai būdavo suorientuoti priešingai nei dešinėje, srovė pro barjerą netekėdavo. Taip buvo pagamintas filtras sukiniui (spin filter).

   Išmokus elektronus su orientuotu sukiniu atsijoti, reikėjo išmatuoti, ar ilgai jie išlaikys savo orientaciją, t.y. nustatyti sukinio difuzijos ilgį arba sukinio relaksacijos laiką. Didelei nuostabai, difuzijos ilgis metale buvo net 100 mkm (Al, 40 K), o to pakako prognozuoti elektroninius modulius, kuriuose srovė pernešama ne standartiniais, o sukinio orientuotais elektronais. Sukinio relaksacijos procesą valdo elektronų pasikeitimo vietomis sparta magnetinio atomo aplinkoje arba jų sąveika per sukinio orbitinį ryšį su defektais, priemaišomis - todėl, suprantama, elektronų sklaidos mechanizmai gali ir nedaryti įtakos sukinio sklaidai.

   Didelės perspektyvos magnetoelektronikoje atveriamos GMR efektu. Pagaminus daugiasluoksnę sandarą iš nanometrinio storio magnetinės ir nemagnetinės medžiagos, srovės dydis išilgai sandaros gali kisti pakeitus sukinio orientaciją gretimame sluoksnyje. Kita gi kryptimi tokia sandara dirba lyg nuosekliai sujungti sukinio filtrai: kuo daugiau sluoksnių, tuo geriau "išsifiltruoja" sukinys, ir, prasiskverbiant elektronui pro daugelį sluoksnių, tuo ilgiau jis išlaikomas. Ištyrus standartines sluoksnines sandaras Fe-Cr arba Co-Cu, kuriose GMR efektas buvo gautas kelis kartus, buvo rasta medžiaga - LaMnO₃ kristalai, kur efektas išaugo net iki 10 000 kartų. Manoma, kad šio kristalo sluoksninė sandara yra labai palanki elektronui peršokinėti nuo vieno prie kito greta esančių magnetinių atomų (Mn³⁺ ir Mn⁴⁺), kai išorinis magnetinis laukas suorientuoja jų sukinius ta pačia kryptimi.

   Sukinio filtro idėja buvo panaudota demonstruojant principinę galimybę sukurti tranzistorių, valdomą magnetiniu lauku. Feromagnetinius emiterį ir kolektorių skyrė nemagnetinis sluoksnis - bazė, kurioje kaupdavosi orientuoti nepusiausvyriniai elektronai sukurdami lauką, kuris priversdavo neorientuotus elektronus iš bazės pereiti į kolektorių. Tačiau srovės kryptis kolektoriaus-bazės grandinėje pasikeisdavo perorientavus kolektoriaus elektronų sukinį. Buvo pasiūlytas prietaisas, pagrįstas sukinių injekcija puslaidininkyje: lauko tranzistoriaus su orientuotu sukiniu schema srovės kanalui esant InAlAs/InGaAs heterosandūroje ir orientuotų elektronų srovei tekant tarp Fe kontaktų. Tokiu būdu susidaręs heterosandūroje vidinis elektrinis laukas priverčia procesuoti pratekančių elektronų sukinius ir išorinio lauko pagalba galima valdyti precesiją, kas moduliuoja tekančią kanalu srovę. Šią mintį tyrėjai laukia realizuoti jau visą dešimtmetį, nors vis dar nusiteikę optimistiškai.

   Sukinio relaksacijos efektus, demonstruojamus ultrasparčiosios puslaidininkių optoelektronikos srityje, prognozuojama ir taikyti joje. Kai sudaromos sąlygos enegetinių lygmenų išsigimimui panaikinti - kristalas patalpinamas į stiprų elektrinį ar magnetinį lauką arba šiuolaikinėmis technologijomis pagaminama erdviškai kvantuota sandara - tai optinių šuolių atrankos taisyklės leidžia sužadinti elektronus su orientuotu sukiniu. Tai daroma apšviečiant kristalą apskritai poliarizuota šviesa, kurios visų fotonų yra vienoda impulso momento kryptis. Optiniai efektai yra galimi keli: esant pakankamai stipriam rezonansiniam sužadinimui medžiaga praskaidrėja, kadangi galioja Pauli draudimo principas, kuris leidžia dviem elektronams turėti tas pačias energijas tik tuomet, kai jų sukiniai yra skirtingi. Sužadinus vienos sukinio orientacijos elektronus, kiti būna nesužadinti. Kristalą zonduojant tiesiškai poliarizuota šviesa, jos poliarizacijos plokštuma pasisuka sklindant kristalu, už kurio atsiranda nauja poliarizacijos komponentė. Ji egzistuoja tol, kol sužadintų elektronų sukiniai išlieka orientuoti.

   Puslaidininkiniuose kristaluose sukinių orientacijos relaksacijos laikas svyruoja nuo vieno iki šimtų pikosekundžių, o tuo tarpu pačių elektronų relaksacijos laikas tomis pat sąlygomis būna šimtus kartų ilgesnis. Būtent šis skirtumas pasirodė esąs labai naudingas kuriant ultrasparčius optoelektronikos prietaisus - šviesa valdomus moduliatorius. Tai leido pademonstruoti labai paprastas "šviesos sklendes" - t.y. perjungėjus, valdomus šviesa ir sudarytus tik iš kelių poliarizatorių ir poliarizacinių plokštelių, kuriuos įjungdavo pikosekundinės ar femtosekundinės trukmės lazerio impulsas ir kurie savaime išsijungdavo, kai sukinys prarasdavo savo orientaciją, t.y. po dešimčių pikosekundžių. Pastaruoju metu buvo pademonstruotos kiek sudėtingesnės sąveikos požiūriu poliarizacinės sklendės, kurios išsijungdavo net po 200 femtosekundžių, kadangi jose buvo suderinta ne tik orientuotų sukinių injekcija, bet ir šviesos sukurtas elektrinis laukas (optinis Štarko efektas), kurio dėka rezonansinės sugerties linija pasislinkdavo pakeisdama zondo sugertį. Tiesiškai poliarizuotas zondas už kristalo tapdavo elipsiškai poliarizuotas.

   Noras panaudoti orientuoto sukinio elektronus naujuose puslaidininkiniuose prietaisuose pareikalavo detalesnių sukinio relaksacijos tyrimų, todėl buvo stebima jų precesija apie išorinio magnetinio lauko kryptį. Kaip mechaninis vilkelis precesuoja apie svorio jėgos kryptį, taip ir elektronai išoriniame magnetiniame lauke precesuoja apie šio lauko kryptį cikliniu dažniu, proporcingu laukui. Nors tai klasikinis efektas, bet už jo slypi kvantiniai reiškiniai: keičiasi spino "aukštyn" ir "žemyn" tarpusavio fazės, ką galima pajusti pasiuntus zonduojantį šviesos spindulį ir stebint Faradėjaus efektą: praėjus pro tiriamąją medžiagą, spindulio poliarizacijos plokštumos pasisukimą. Panaudojus tokį nesudėtingą būdą, buvo pradėta tirti įvairių aplinkos faktorių įtaka sukinio depoliarizacijai. Buvo pastebėti nelaukti efektai, pvz. labai ilgi, net dešimčių nanosekundžių trukmės, sukinio relaksacijos laikai buvo nustatyti laidžiuose n-GaAs (10¹⁶ cm^-3 ) kristaluose. Kaipgi sukiniai sugeba praeiti pro heterosandūrą? Sužadinti GaAs kristale sukiniai sėkmingai prasiskverbdavo pro barjerą ir kaupdavosi ZnSe epitaksiniame sluoksnyje, atsirandant kelių šimtų pikosekundžių užlaikymui. Kaip parinkti jai tinkamas medžiagas - ar galima iš feromagnetiko, kuriame egzistuoja sukiniai-skylutės (orientuotos neveikiant išoriniam laukui), jas perpumpuoti į kvantinę sandarą, kur jos rekombinuotų su neorientuotais elektronais ir išspinduliuotų šviesą? Eksperimentas pavyko, ir tai nuteikė tyrėjus ieškoti naujų technologinių galimybių, kaip manipuliuoti sukinio būsenomis puslaidininkiuose, - tirti sukinių pernašą, traukiant juos elektriniu lauku, ir sukinio pernašą, stebint net už 100 mikronų. GaN kristaluose, kurie yra perspektyvūs mėlynojoje optoelektronikoje, taip pat pastebimi kiek nelaukti efektai: nors GaN epitaksinių sluoksnių struktūra dar toli gražu netobula, kiaurai pragręžta siūlinėmis dislokacijomis, kurios ženkliai mažina elektronų judrį, tačiau sukinio relaksacija trunka net kelias nanosekundes. Tuo požiūriu GaN ir GaAs kristalai yra panašūs, bet magnetiniame lauke ir aukštesnėse temperatūrose sukinio relaksacija spartėja.

   Tad tyrėjams dar teks atsakyti į nemažai neatsakytų fundamentalių klausimų apie sukinio sklaidos mechanizmus. Todėl paieškos nesustojo: technologai augina magnetines puslaidininkines kvantines sandaras, patalpindami šalia elektronų ir magnetinių laukų šaltinius, kurių tarpusavio sąveika jau sutrumpino sukinio relaksacijos laikus iki piko- ir net femtosekundžių. Tad netolima ateitis parodys, ar taps elektrono sukinys rimtu konkurentu ar pagalbininku 21 amžiaus opto- bei mikroelektronikoje.