Неожиданные результаты получили физики из Корнелльского университета, детально исследовавшие так называемое спин-орбитальное взаимодействие электронов и дырок в углеродных нанотрубках. Это взаимодействие оказалось неожиданно сильным, что в корне меняет взгляд на возможные приложения нанотрубок в спинтронике и квантовых вычислениях.

Спин-орбитальное взаимодействие - это слабый релятивистский эффект, который приводит к небольшому расщеплению спектральных линий атомов. Он возникает из-за того, что спины электронов, движущихся по орбитам вокруг ядра, "чувствуют" магнитное поле, порождаемое зарядом ядра, которое, как ток в катушке соленоида, "вращается вокруг электрона" в связанной с самим электроном системе отсчета. Несмотря на свою слабость, спин-орбитальное взаимодействие играет важную роль в спинтронике. Именно оно приводит к тому, что спин движущихся по проводнику электронов, взаимодействуя с зарядами ядер атомов, быстро приобретает случайную ориентацию. Этот эффект сильно сдерживает прогресс спинтроники, в которой два возможных значения спина электрона в дополнение к его заряду используются для кодирования информации.

Сила спин-орбитального взаимодействия пропорциональна четвертой степени заряда ядра. Поэтому многие специалисты полагали, что в углероде с зарядом 6 оно будет пренебрежимо мало по сравнению, например, с медью с зарядом ядра 29. А значит, углеродные нанотрубки с толщиной стенок в один атом, благодаря высокой проводимости, прочности и стабильности, могли бы стать прекрасными проводниками и для спинтроники. Но на самом деле все оказалось устроено иначе.

Чтобы исследовать спин-орбитальное взаимодействие в нанотрубках, ученым пришлось сначала исключить гораздо более сильное кулоновское взаимодействие между электронами. Для этого бездефектную нанотрубку длиной 500 нм закрепили между электродами, а под ней расположили пару электродов затвора. На электроды подавали напряжение так, чтобы в нанотрубке в результате кулоновской блокады сформировалась "квантовая точка" длиной около 200 нм. В эту точку помещается лишь один электрон или дырка. Спин этого единственного электрона мог иметь пару возможных направлений вдоль нанотрубки, а сам электрон мог вращаться вокруг нанотрубки по часовой стрелке или против нее. Если бы спин-орбитальное взаимодействие было слабым, то все эти четыре комбинации имели бы одинаковую энергию.

Но энергетических уровней оказалось два. Большей энергией обладали состояния, в которых спин и орбитальный магнитный момент электрона были направлены в разные стороны. Причем величина энергетической щели достигала 0,37 meV, что на несколько порядков больше, чем ожидалось. Во внешнем магнитном поле два уровня разбивались на четыре, что дополнительно подтверждает наличие сильного спин-орбитального взаимодействия.

Эти важные результаты означают, что нанотрубки не годятся в качестве проводников для спинтроники, зато их можно эффективно использовать для различных манипуляций со спином без использования магнитного поля, реализации всевозможных запутанных квантовых состояний и еще массы приложений, которые еще только предстоит изобрести.

Но самые удивительные результаты ученые получили, изучая поведение дырки (то есть отсутствие электрона). Дырку в нанотрубке сформировали в той же квантовой точке. И вопреки всем теориям, которые дружно предсказывают, что спин-орбитальное взаимодействие дырки должно быть точно таким же, как у электрона, она вела себя прямо противоположным образом. Это новое явление теоретикам еще предстоит объяснить, и уж применения для него наверняка найдутся.