Forskere udvikler teknik til at styre og måle elektron -spin -spænding

Fremtidens informationsteknologier vil sandsynligvis bruge elektron -spin - frem for elektronladning - til at transportere information. Men først, forskere har brug for bedre at forstå, hvordan man styrer spin og lærer at bygge spin -ækvivalent med elektroniske komponenter, fra spin transistorer, at dreje porte og kredsløb.

Nu, Harvard University forskere har udviklet en teknik til at styre og måle spin -spænding, kendt som spin -kemisk potentiale. Teknikken, som bruger defekter i atomstørrelse i diamanter til at måle kemisk potentiale, er i det væsentlige et spin-multimeter i nanoskala, der tillader målinger i chip-skala enheder.

Forskningen er publiceret i Videnskab .

"Der er stigende interesse for isolerende materialer, der kan udføre centrifugering, "sagde Amir Yacoby, Professor i fysik ved Institut for Fysik og Anvendt Fysik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences og seniorforfatter af papiret. "Vores arbejde udvikler en ny måde at se på disse spins i materialer som magneter."

Ved ledning af materialer, elektroner kan bære information ved at flytte fra punkt A til punkt B. Dette er en elektrisk strøm. Spin, på den anden side, kan forplante sig gennem isolerende materialer i bølger - hver elektron står stille og kommunikerer spin til sin koblede nabo, som et kvantespil telefon.

For at drive disse bølger fra punkt A til punkt B, forskerne havde brug for at udvikle en teknik til at øge spin -kemisk potentiale - spin -spænding - på lokalt niveau.

"Hvis du har et højt kemisk potentiale på sted A og et lavt kemisk potentiale på sted B, spin-bølger begynder at diffundere fra A til B, "sagde Chunhui Du, en postdoc ved Institut for Fysik og medførsteforfatter på papiret. "Dette er et meget vigtigt koncept inden for spintronics, fordi hvis du er i stand til at styre spin-wave transport, så kan du bruge disse spinbølger i stedet for elektrisk strøm som informationsbærere. "

Forskerne brugte to spin-wave-injektionsmetoder:i den første, de anvendte hurtigt oscillerende, mikrobølge magnetfelter til at ophidse spinbølger. I den anden, de konverterede en elektrisk strøm til spin-bølger ved hjælp af en platinmetalstrimmel placeret i den ene ende af magneten.

"Det bemærkelsesværdige er, at dette materiale er en isolator; det leder ikke nogen strøm, og du kan stadig sende information i form af spinbølger gennem det, " sagde Toeno Van der Sar, en postdoktor ved Institut for Fysik og medforfatter af papiret. "Spinbølger er så lovende, fordi de kan rejse i lang tid uden at forfalde, og der produceres næsten ingen varme, fordi du ikke har elektroner i bevægelse. "

Når teamet injicerede spinbølger i materialet, det næste trin var at finde ud af, hvordan man måler information om disse bølger. Forskerne henvendte sig til nitrogen-vacancy-defekter (NV) i diamanter. Disse defekter - hvor et carbonatom i en diamant erstattes med et nitrogenatom og et tilstødende atom fjernes - kan bruges til at detektere små magnetiske felter.

Forskerne fremstillede små diamantstænger indeholdende NV-centre og placerede dem nanometer over prøven. Når spin-bølgerne bevæger sig gennem materialet, de genererer et magnetfelt, som afhentes af NV -centret.

Baseret på NV-center målinger, forskere kan nu finde ud af det spinkemiske potentiale, antallet af spin -bølger, hvordan de bevæger sig gennem materialet og andre vigtige indsigter.

"Det fine ved denne teknik er, at den er meget lokal, "sagde Van der Sar." Du kan udføre disse målinger blot et par nanometer over prøven, hvilket betyder, at du rumligt kan studere det kemiske potentiale i en chip-skala spin-wave enhed, til, Lad os sige, en spin-wave computer. Dette er ikke muligt med nogle af de andre state-of-the-art teknikker."

Dette system kan også tilbyde et indblik i mere eksotisk fysik, såsom spin-wave Hall-effekten, eller vise, at spin-wave transport er hydrodynamisk.

"Det princip, vi bruger til at kontrollere og måle det spin -kemiske potentiale, er ret generelt. Det åbner måder at studere mere eksotiske spin -fænomener i nye materialer og hjælper udviklingen af ​​nye spintronic -enheder, "sagde Du.