Скажем, нагрели металл в вакууме, получили большее или меньшее количество свободных электронов, подействовали на этих трудяг двадцатых – шестидесятых годов электрическим полем порой весьма изощренной структуры. Здорово! Получили электронные лампы – активную основу электроники тех же годов. Хочешь, – делай радиоприемник, хочешь – радиолокационную станцию. По темпераменту или по необходимости. Первые из ламп имели чудовищные размеры и не блестящие характеристики. Улучшили и развили. По свидетельству профессора Г.Е. Кочарова, великий Э Ферми, уезжая из СССР (точнее, уходя из ФТИ им. А.Ф.Иоффе) попросил на память весьма приглянувшиеся ему усилительные пентоды 6Ж1П!

Вся перечисленная толпа приборов работает в соответствии с весьма прозрачным соображением: энергия взаимодействия электрона с управляющим электрическим полем может легко быть сделана сопоставимой или несколько большей, чем энергия связи того же электрона с атомом или с кристаллом. Отсюда относительная стабильность параметров, легкость их изменения, возможность микроминиатюризации системы приборов. Так сказать, наноминиатюризация, а высоким штилем – нанотехнология. Правда, на такую нанотехнологию у нас денег не дают. Нужна другая, более нано.

Всяк сведущий в общей физике знает, что движение заряда, обладающего массой, по кривой, тем более вокруг атома, ведет не только к появлению механического момента, но и пропорционального ему момента магнитного. Более того, замечателен электрон еще и тем, что обладает собственным механическим моментом, не связанным с его движением по кривой. Не останавливаясь на определении полного момента, назовем его спином.

В твердом теле тождественными электроны становятся благодаря существованию химической связи между магнитными атомами. Ну, действительно, если электрон образует связь, то принадлежит он одновременно не только одному атому, а всему их коллективу, хотя исходно, до образования связи, принадлежал одному из них. Теперь электроны являются в некотором отношении тождественными. Следствием действия обмена является выстраивание моментов как магнитных, так и механических. Весьма существенно, что межатомное обменное взаимодействие (обмен) подобно обмену внутриатомному, так как обладает экспоненциальным характером зависимости величины от расстояния между электронами. Ниже еще об этом поговорим.

Таким образом, получили не вполне четкую, но частично воспринимаемую сознанием картину. Имеем полупроводник, обладающий ферромагнитными свойствами, помещенный в магнитное поле (чтобы поляризация магнитных атомов стала одинаковой), содержащий свободные носители, рассеивающиеся на магнитных атомах. Меняем магнитное поле, изменяем траектории носителей, что, в конечном счете, приведет к изменению тока через прибор. В другом варианте, не изменяя магнитное поле, можем менять поле электрическое, заставляющее электроны перемещаться в направлении его действия. Опять хрен редьки… А ведь приборы, работающие на принципе взаимодействия спина электрона с магнитным полем, созданным в кристалле, относятся к приборам не электроники, а спинтроники.

Понятно? Автору не очень. Правда, хочется надеяться на то, что все дело в спин-зависимом туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер. Ведь, по существу, вся возня с протеканиями токов в приборах электроники или возможность воздействовать на спиновую поляризацию электронов в приборах спинтроники определяется той информацией, которую несут потоки электронов. В этом смысле, какая разница, что именно информативно. Есть импульс или последовательность импульсов – уже информация. А будет она определяться электрическим или магнитным полем – существенно только для разработчика конкретных схем.

Сейчас идут достаточно интенсивные поиски таких материалов. В чем тут дело? А дело в том, что желательно иметь материал достаточно хороший с точки зрения протекания тока. Желательна высокая подвижность носителей если не непосредственно в магнитном слое, то, по крайней мере, в остальной, немагнитной, части материала. Чемпионы в этом отношении – полупроводниковые соединения А₃В₅.

Куда как магнитней. Одних магнитных фазовых переходов зарегистрировали как минимум три разновидности. Хорошо это или плохо? Выяснилось, что плохо. В процессе роста кристалла железо образует многочисленные ассоциаты с атомами решетки. А так как примесь железа в арсениде галлия может иметь избыточный относительно матрицы кристалла заряд, то электроны рассеиваются не только на атомах кристалла, но и за счет электростатического взаимодействия с примесями и ассоциатами. Подвижность падает. Даже при понижении концентрации железа до 10¹⁹см^-3.

Помните экспоненциальную зависимость величины обмена от расстояния между носителями момента? Интересны также механизм образования магнитных включений и их пространственная структура. Да к тому же неплохо бы напрячь интеллект, и попробовать создать что-либо неординарное в плане получения обмена посложнее, на достаточно большом расстоянии между атомами примеси. Кроме того, следует побороться за стабильность твердого раствора примеси в кристалле. Так это же целая программа действий!

В соответствии с основными идеями В.Ф. Мастерова глубокими следует считать центры, обладающие сравнительно компактной волновой функцией. Глубина залегания примесного уровня не является определяющим свойством центра. Например, кислород (донор) в фосфиде галлия создает уровни, расположенные глубоко в запрещенной зоне, а протяженность волновой функции чудовищна и "размер центра" кислорода приближается к размерам мелких центров ~ 10 ангстрем. Поэтому в качестве глубоких, как правило, рассматриваются центры, образованные элементами переходных групп. Компактность волновой функции глубоких центров автоматически означает, что для получения требуемых свойств необходимо ввести примесь в весьма высокой концентрации (расстояния между электронами ближайших магнитных атомов не должны быть велики). Те же грабли? Опять межпримесное взаимодействие усложняется связью с атомами решетки, появлением магнитных, но заряженных областей и прочее? Не совсем.

Марганец в арсениде галлия. Убедительно доказано, что данный центр образуется при нехватке одного электрона в химической связи. Если какой-то другой элемент группы железа заполняет химическую связь, отдавая три внешних электрона, то марганец отдает только два из них. Пользуясь не вполне корректными представлениями о свободных носителях, можно говорить о пространственной локализации дырки на атомном остове марганца. А какова протяженность волновой функции дырки в этом случае? Поразительно, но желание получить магнитное состояние было столь велико, что еще до получения ответа на этот вопрос марганец был введен в арсенид галлия в концентрации ~  10²⁰см^-3. Введен равномерно. Опять не нами. Магнитное упорядочение примеси было зарегистрировано множеством способов. Все полученные данные свидетельствуют о возможности работы с материалом, по крайней мере, при температурах жидкого азота. Так называемая температура Кюри составляет не более 120 К. Есть и более высокие температуры (1200 К!), но при этом экзотика предполагаемого строения центра совмещается с экзотикой использованного материала – нитрида галлия. Материала, получаемого лишь в виде тонких слоев с использованием весьма дорогостоящей технологии.

Лантаноиды в фосфиде индия. Фосфид индия также соединение А₃В₅. Почему именно он? Зачем менять матрицу, тем более хорошо изученную, да и зарекомендовавшую себя отменно. Дело в лантаноидах. Это тоже элементы переходной группы, но обладающие атомным весом, а соответственно, и размерами существенно большими, чем железо. Их можно встроить только на место также большого элемента, а индий – тоже тяжелый, как раз для этого подходит. Есть, правда, одна неприятность. Лантаноиды, все-таки, по размеру больше, чем индий. Объективнее говорить о величинах ионных радиусов. Так вот, соотношение этих радиусов таково, что максимальная концентрация лантаноидов, равномерно вошедших в фосфид индия, не превышает 10¹⁹см^-3. Есть, правда, прецедент, когда концентрация европия, лантаноида из середины ряда редкоземельных элементов, составила 10²⁰см^-3. Проявления межпримесного обмена налицо. Строение магнитных включений не вполне стандартное – пары ионов европия, связанных обменным взаимодействием. Это приятно, так как пары стандартны, "калиброваны" по размерам. Стабильность этих пар весьма высока – глобулы, образованные из этих пар, появляются только через десять лет после выращивания кристалла. Причина стабильности кроется, скорее всего, в строении пары. Упомянутый выше кислород в виде атомов встраивается в кристалл между ионами европия. Европий замещает индий, а кислород – фосфор. Кстати, ионный радиус кислорода меньше, чем радиус фосфора. То есть, механические напряжения кристалла, связанные с присутствием большого лантаноида, компенсируются (правда, не полностью) напряжениями обратного знака, связанными с появлением кислорода. Вот и намек на способ стабилизации кристалла с примесью! Недостаток полученного материала – существование магнетизма только при низкой температуре.

Что еще осталось невыясненным? Структура магнитных включений.

Осложнения начинаются при работе с кластерами малых размеров. Малый кластер рыхлый, расстояния между магнитными атомами велико, обмен не просто слабый, но и еще не определен по знаку: ближе к ферромагнитному или антиферромагнитному типу. В случае сосуществования обоих типов упорядочения спинов магнитных атомов приходится иметь дело с весьма сложной магнитной системой, называемой спиновым стеклом. Основная черта спинового стекла – принципиальная неравновесность, что в отношении магнетизма роднит его с обычным стеклом в отношении структуры.

Ну, определились со спинтроникой? Нет. С материалами для спинтроники? Нет. С физикой примесного магнетизма? Нет. С приоритетами России в исследованиях и хотя бы получении материалов для спинтроники? Частично. С финансированием подобных приведенным выше исследованиям в университетах? Я тоже не определился.