Genopladeligt spin -batteri lovende til spintronics og quantum computing

Forskere har vist, hvordan man opretter et genopladeligt "spin -batteri" lavet af materialer kaldet topologiske isolatorer, et skridt i retning af at bygge nye spintronic -enheder og kvantecomputere.

I modsætning til almindelige materialer, der enten er isolatorer eller ledere, topologiske isolatorer er begge på samme tid - de er isolatorer indeni, men leder elektricitet på overfladen. Materialerne kan blive brugt til spintronic -enheder og kvantecomputere, der er mere kraftfulde end nutidens teknologier.

Elektroner kan opfattes som to spin -tilstande:op eller ned, og et fænomen kendt som superposition tillader elektroner at være i begge tilstande på samme tid. En sådan ejendom kan udnyttes til at udføre beregninger ved hjælp af kvantemekanikkens love, gør for computere meget hurtigere end konventionelle computere til bestemte opgaver.

De ledende elektroner på overfladen af ​​topologiske isolatorer har en nøgleegenskab kendt som "spin momentum locking, "hvor elektronens bevægelsesretning bestemmer retningen af ​​dets spin. Dette spin kan bruges til at kode eller bære information ved at bruge ned- eller op-retningen til at repræsentere 0 eller 1 til spin-baseret informationsbehandling og computing, eller spintronics.

"På grund af spin-momentum-låsningen, du kan få elektronernes spin til at ligge på linje eller 'låst' i en retning, hvis du passerer en strøm gennem det topologiske isoleringsmateriale, og dette er en meget interessant effekt, "sagde Yong P. Chen, en professor i fysik og astronomi ved Purdue University og elektroteknik og computerteknik og direktør for Purdue Quantum Center.

Anvendelse af en elektrisk strøm til materialet fremkalder en elektron "spin -polarisering", der kan bruges til spintronics. Normalt, strømmen skal forblive tændt for at opretholde denne polarisering. Imidlertid, i nye fund, Purdue-forskere er de første til at fremkalde en langvarig elektron-spin-polarisering, der varer to dage, selv når strømmen er slukket. Elektron -spin -polarisationen detekteres af en magnetisk spændingsprobe, som fungerer som et spin-følsomt voltmeter i en teknik kendt som "spin-potentiometri".

De nye fund er detaljeret i et forskningsartikel, der blev vist den 14. april i tidsskriftet Videnskab fremskridt . Eksperimentet blev ledet af postdoktoral forskningsassistent Jifa Tian.

"En sådan elektrisk kontrolleret vedvarende spinpolarisering med en hidtil uset lang levetid kan muliggøre et genopladeligt spin -batteri og omskrivbar spin -hukommelse til potentielle applikationer i spintronics og kvanteinformationssystemer, "Sagde Tian.

Denne "skrivestrøm" kan sammenlignes med at optage dem og nuller i en computers hukommelse.

"Imidlertid, en bedre analog er batteriets, "Sagde Chen." Skrivestrømmen er som en ladestrøm. Det er langsomt, ligesom at oplade din iPhone i en time eller to, og derefter kan den levere strøm i flere dage. Det er den lignende idé. Vi oplader dette spin -batteri ved hjælp af denne skrivestrøm på en halv time eller en time, og derefter forbliver spinnene polariseret i to dage, som et genopladeligt batteri. "

Fundet var en overraskelse.

"Dette var ikke forudsagt eller noget, vi ledte efter, da vi startede eksperimentet, "sagde han." Det var en tilfældig opdagelse, takket være Jifas tålmodighed og vedholdenhed, løb og gentag målingerne mange gange, og effektivt oplader spin -batteriet for at udsende et målbart, vedvarende spin -polarisationssignal. "

Forskerne er usikre på, hvad der forårsager effekten. Imidlertid, en teori er, at de spinpolariserede elektroner muligvis overfører deres polarisering til atomkernerne i materialet. Denne hypotese som en mulig forklaring på eksperimentet blev foreslået af Supriyo Datta, Purdues Thomas Duncan Fremtrædende professor i el- og computerteknik og lederen af ​​det nyligt lancerede Purdue "spintronics førende teaminitiativ."

"I et møde, Professor Datta kom med det kritiske forslag om, at det vedvarende spinsignal, Jifa observerede lignede et batteri, "Sagde Chen." Der var nogle analoge eksperimenter tidligere udført på et nukleare spin -drevet batteri, selvom de typisk krævede meget mere udfordrende forhold såsom høje magnetfelter. Vores observation hidtil er i overensstemmelse med den effekt, der også stammer fra atomspinene, selvom vi ikke har direkte beviser. "

Nuklear spin har konsekvenser for udviklingen af ​​kvantehukommelse og kvanteberegning.

"Og nu har vi en elektrisk måde at opnå dette på, hvilket betyder, at den potentielt er nyttig til kvantekredsløb, fordi du bare kan passere strøm, og du polariserer atomspin, "Sagde Chen." Traditionelt har det været meget svært at opnå. Vores spin -batteri baseret på topologiske isolatorer fungerer selv ved nul magnetfelt, og moderat lave temperaturer såsom snesevis af kelvin, hvilket er meget usædvanligt. "

Seokmin Hong, en tidligere Purdue -doktorand, der arbejder med Datta, der nu er softwareingeniør hos Intel Corp., sagde, "Mens et almindeligt opladet batteri udsender en spænding, der kan bruges til at drive en ladestrøm, et 'spin -batteri' udsender en 'spin -spænding, 'eller mere præcist en kemisk potentialforskel mellem elektronerne med spin up og spin down, der kan bruges til at drive en ikke-ligevægtsspindstrøm. "

Forskerne brugte små flager af et materiale kaldet vismut tellurium selenid. Det er i samme klasse af materialer som vismut tellurid, som står bag solid-state køleteknologier såsom kommercielle termoelektriske køleskabe. Imidlertid, i modsætning til materialet af kommerciel kvalitet, der er en "dopet" bulk halvleder, materialet, der blev brugt i forsøget, blev omhyggeligt fremstillet for at have ultrahøj renhed og lidt doping i hovedparten, så ledningen domineres af de spin-polariserede elektroner på overfladen. Det blev syntetiseret af forsker Ireneusz Miotkowski i halvleder bulk -krystal -laboratoriet, der blev administreret af Chen i Purdues Institut for Fysik og Astronomi. Enhederne blev fremstillet af Tian i Birck Nanotechnology Center i Purdue's Discovery Park.

Avisen er forfattet af Tian; Hong; og Miotkowski, Datta, og Chen.

Fremtidig forskning vil omfatte arbejde med at undersøge, hvad der forårsager effekten ved direkte at undersøge atomspinnet, og også for at undersøge, hvordan dette spin -batteri kan bruges i potentielle praktiske applikationer.