Spindende elektroner åbner døren til fremtidens hybridelektronik

En opdagelse af, hvordan man kontrollerer og overfører roterende elektroner, baner vejen for nye hybridenheder, der kan udkonkurrere eksisterende halvlederelektronik. I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskere ved Linköpings Universitet i Sverige demonstrerer, hvordan man kombinerer en almindeligt anvendt halvleder med en topologisk isolator, en nyligt opdaget stoftilstand med unikke elektriske egenskaber.

Ligesom Jorden drejer rundt om sin egen akse, det samme gør en elektron, i retning med eller mod uret. "Spintronics" er navnet, der bruges til at beskrive teknologier, der udnytter både elektronens spin og ladningen. Aktuelle applikationer er begrænsede, og teknologien bruges hovedsageligt i computerharddiske. Spintronics lover store fordele i forhold til konventionel elektronik, herunder lavere strømforbrug og højere hastighed.

Med hensyn til elektrisk ledning, naturlige materialer er klassificeret i tre kategorier:ledere, halvledere og isolatorer. Forskere har for nylig opdaget en eksotisk fase af stof kendt som "topologiske isolatorer", som er en isolator indeni, men en leder på overfladen. En af de mest slående egenskaber ved topologiske isolatorer er, at en elektron skal bevæge sig i en bestemt retning langs materialets overflade, bestemt af dens rotationsretning. Denne egenskab er kendt som "spin-momentum låsning."

"Overfladen af ​​en topologisk isolator er som en velorganiseret opdelt motorvej for elektroner, hvor elektroner med én spin-retning bevæger sig i én retning, mens elektroner med den modsatte spin-retning bevæger sig i den modsatte retning. De kan rejse hurtigt i deres udpegede retninger uden at kollidere og uden at miste energi, " siger Yuqing Huang, PhD-studerende ved Institut for Fysik, Kemi og biologi (IFM) ved Linköpings Universitet.

Disse egenskaber gør topologiske isolatorer lovende til spintroniske applikationer. Imidlertid, et nøglespørgsmål er, hvordan man genererer og manipulerer overfladespinstrømmen i topologiske isolatorer.

Forskerholdet bag det aktuelle studie har nu taget det første skridt mod at overføre spin-orienterede elektroner mellem en topologisk isolator og en konventionel halvleder. De genererede elektroner med samme spin i galliumarsenid, GaAs, en halvleder, der almindeligvis bruges i elektronik. For at opnå dette, de brugte cirkulært polariseret lys, hvor det elektriske felt roterer enten med eller mod uret, når det ses i lysets bevægelsesretning. De spin-polariserede elektroner kunne derefter overføres fra GaAs til en topologisk isolator, at generere en retningsbestemt elektrisk strøm på overfladen. Forskerne kunne kontrollere orienteringen af ​​elektronernes spin, og retningen og styrken af ​​den elektriske strøm i den topologiske isolator bismuthtellurid, Bi2Te3. Denne fleksibilitet har ifølge forskerne ikke været tilgængelig før. Alt dette blev opnået uden at påføre en ekstern elektrisk spænding, demonstrerer potentialet for effektiv konvertering fra lysenergi til elektricitet. Resultaterne er væsentlige for designet af nye spintroniske enheder, der udnytter vekselvirkningen mellem stof og lys, en teknologi kendt som "opto-spintronics".

"Vi kombinerer de overlegne optiske egenskaber ved GaAs med de unikke elektriske egenskaber af en topologisk isolator. Dette har givet os nye ideer til at designe opto-spintroniske enheder, der kan bruges til effektiv og robust informationslagring, udveksling, behandling og udlæsning i fremtidens informationsteknologi, " siger professor Weimin Chen, der har ledet undersøgelsen.