近日，来自俄罗斯科学院西伯利亚分院Rzhanova半导体物理研究所Gumilyov(IPP SB RAS)的科学家奥列格·叶夫根耶维奇·捷列先科及其团队，联合俄罗斯科学院西伯利亚物理问题研究所、“西伯利亚环光子源”集体使用中心、新西伯利亚国立大学、“Ekran-FEP”原子能机构的科研人员，成功研制出世界上第一台具有空间分辨率的自旋探测器，相关成果发表于《物理评论快报》，并获“编辑推荐”称号。
该自旋探测器运用独特过滤器——纳米厚度的铁磁薄膜(纳米膜)来检测电子自旋。其工作原理与光学偏光镜类似，非极化电子穿过铁磁纳米膜后，在输出端可获得极化电子。研究团队在考虑空间分辨率的情况下，创造了检测电子自旋极化效率的世界纪录。为测试探测器效率，团队还制作了自旋三极管(自旋加速器)，这在世界上尚属首次。
自旋探测器将应用于西伯利亚环光子源(SKIF)电子结构站的角分辨光电子能谱(ARPES)设施。目前，国外无法购买到适用于SKIF的自旋探测器，且不存在兼具全功能(具有空间分辨率的自旋检测)、高效率、低成本和易用性的同类设备。此外，该自旋分析仪还可相对容易地集成到电子显微镜中，助力获取固体磁性的详细信息。自旋电子学发展催生的技术，有望推动真空自旋电子学这一新方向的发展。
奥列格·捷列先科教授作为文章第一作者和研究小组负责人，详细介绍了该设备的优势。他指出，这是全球首台以自旋滤波器(铁磁纳米膜)为主要功能元件的自旋探测器，效率显著高于现有电子自旋探测器。使用该设备无需像莫特自旋探测器那样将被研究粒子加速到高能量，且能以空间分辨率进行测量，单位时间内可收集几个数量级的数据。其使用寿命以年为单位，而具有类似功能的商用设备1 - 2周后便需更换，成本也比市面上无空间分辨率的自旋探测器低几个数量级。
电子自旋是电子的特征之一，有自旋向上和自旋向下两种状态，若光束中所有电子自旋指向同一方向，则该光束为100%自旋极化。此次研究团队首次在直接成像模式下开展二维自旋滤波器(铁磁纳米膜)特性测量实验，将自旋极化测量效率比单通道莫特自旋探测器提高了一万到一百万倍。这一成果对于在各种光谱和显微技术中控制和使用自旋极化电子和电子束具有重要意义，通过检测材料结构或成分的微小变化，可深入了解材料及其磁性。在显微镜领域，自旋极化可用于获取高分辨率图像，研究单个原子或分子的性质。
为测试自旋探测器(铁磁纳米膜)的运行，研究人员制作了真空自旋三极管(spintron)，它类似于真空管三极管。真空管通过控制栅极“解锁”和“锁定”电子，而真空自旋三极管则借助铁磁纳米膜控制自旋选择，通过磁矩让特定自旋的电子通过，开启自旋可降低能耗、提高电子设备工作频率，增加信息传输、存储和处理量。
回顾电子器件发展历程，“真空微电子学”领域在20世纪80年代随着真空间隙半导体器件出现而兴起，有“回到未来”的说法。现代晶体管的前身真空管虽体积大、功耗高，但设计简单、元件易更换、耐辐射，且真空是现代晶体管生产关键元素之一——电介质的理想材料。进入21世纪，纳米技术推动真空微电子学向真空纳电子学转变，下一步有望向真空自旋电子学发展。真空自旋电子纳米电子学能为电子设备提供更高开关速度、更低能量损失、更强抗辐射能力和更宽温度范围。
奥列格·捷列先科表示，此次研究迈出了创建真空自旋电子学元件基础的第一步，已研制的自旋三极管(自旋电子管)可归为该领域一类器件，它通过影响电子自旋进行控制，与上世纪的真空管通过电子电荷控制不同，标志着团队在全球科学界开启了一个新方向。
目前，团队正研究将纳米膜自旋探测器集成到用于角分辨光电子能谱的实验室装置中，以测量电子动量、能量和自旋三个分量的分布，获取晶体中载流子色散规律的完整信息，这对寻找和研究未来电子学和自旋电子学领域有前景的新型半导体、超导体和二维材料的特性至关重要。团队还将继续改进自旋探测器，相信其将在西伯利亚环光子源的电子结构站发挥全部潜力。该研究得到俄罗斯科学基金会和新西伯利亚州政府的支持(项目编号22 - 12 - 20024，p - 9)。
