Спінтронне випромінювання — тип випромінювання, яке виникає внаслідок зміни спінових станів електронів чи інших ферміонів у матеріалах, які використовують в спінтроніці.
Спінтроніка — це напрямок в науці та технологіях, що займається вивченням і використанням спіну електронів для зберігання та обробки інформації, а також для створення нових типів електронних пристроїв.
Випромінювання може виникати, коли спінові стани змінюються під впливом зовнішніх полів або при переході між різними енергетичними рівнями. Одним із таких явищ є, наприклад, спінова релаксація, при якій електрон змінює свій спін в результаті взаємодії з іншими електронами, спінами або зовнішнім полем.
Спінтронне випромінювання вивчається для створення нових елементів пам’яті, сенсорів і навіть для розвитку квантових обчислень. Цей тип випромінювання можна також використовувати для досягнення високої чутливості в сенсорах, а також у створенні нових типів лазерів, де випромінювання може бути зумовлене зміною спінових станів електронів. Це досить спеціалізована область, яка активно розвивається через потенціал створення більш ефективних технологій на базі спінових властивостей матеріалів.
Спін електрона — одна з фундаментальних квантових характеристик електрона, що описує власний момент імпульсу частинки. На відміну від класичного обертання об’єкта навколо своєї осі, спін — це внутрішня властивість елементарної частинки, яка не має аналогів у класичній фізиці.
Основні факти про спін електрона.
Значення спіну електрона.
Електрон має спін s=1/2, це означає, що він є ферміоном (частинкою або квазічастинкою з напівцілим значенням спіну, що підкоряється статистиці Фермі-Дірака). Проєкція спіну на вісь (зазвичай z) може набувати лише двох значень: ms= + 1/2 або ms= − 1/2. Ці стани часто називають: «спін вгору» (↑, + 1/2) і «спін вниз» (↓, − 1/2). Спін впливає на магнітні властивості (магнітний момент електрона), будову атомів (принцип Паулі), поведінку електронів в електричних і магнітних полях, квантові статистики (електрони підпорядковуються статистиці Фермі-Дірака).
Спін і принцип Паулі. В одному квантовому стані не може одночасно перебувати два електрони з однаковими спінами. Це пояснює, чому електрони в атомах «заповнюють» орбіталі попарно з протилежними спінами.
Принцип Паулі в дії – в кожній орбіталі можуть перебувати максимум два електрони з протилежними спінами (↑↓), що визначає, як заповнюються електронні оболонки атома. Наприклад, в атомі гелію (He): → 1s² = ↑↓ (два електрони на 1s-орбіталі з протилежними спінами); в атомі літію (Li): → 1s² 2s¹ = ↑↓ ↑ (додатковий електрон іде на наступний рівень). Саме через спіни і принцип Паулі атоми мають різну електронну конфігурацію → від цього залежать хімічні властивості елементів.
Спін і магнітний момент. Через свій спін електрон має власний магнітний момент, подібно до маленького магніту, що лежить в основі: Електронного парамагнетизму, Ефекту Зеемана (розщеплення енергетичних рівнів в магнітному полі), ЯМР (ядерного магнітного резонансу) та ЕПР (електронного парамагнітного резонансу). Тобто електрони в матеріалах можуть: впорядковуватися (спіни вирівнюються) → утворюється магнітне поле → феромагнетизм (залізо, нікель) або розташовуватись невпорядковано → немає магнетизму (діамагнетики, парамагнетики).
Магніти, жорсткі диски, МРТ-сканери працюють завдяки властивостям, які походять від спіну електронів.
Квантові комп’ютери → Квантовий біт (кубіт).
У класичних комп’ютерах біт = 0 або 1.
У квантових — кубіт може бути в стані 0, 1 або обох одночасно (суперпозиція).
Приклад кубіта: спін електрона ↑ або ↓ — це природний двостановий квантовий об’єкт. Спіни електронів можуть використовуватись для збереження та обробки інформації у квантових комп’ютерах.
Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) → Дослідження речовин через спіни. Якщо помістити електрон у магнітне поле, його спінові стани розщеплюються (↑ і ↓ мають різну енергію). При певній частоті радіохвиль електрон може «перестрибувати» між цими станами. Цей метод використовують для:
– дослідження молекул з неспареними електронами;
– вивчення вільних радикалів;
– біологічних та медичних досліджень. Джерело