Manipulering af elektronspin uden tab af information

Fysikere har udviklet en ny teknik, der bruger elektriske spændinger til at styre elektronspin på en chip. Den nyudviklede metode giver beskyttelse mod spin-henfald, hvilket betyder, at den indeholdte information kan vedligeholdes og transmitteres over forholdsvis store afstande, som er blevet demonstreret af et hold fra University of Basel's Department of Physics og Swiss Nanoscience Institute. Resultaterne er offentliggjort i Fysisk gennemgang X .

For flere år, forskere har forsøgt at bruge en elektrons spin til at lagre og transmittere information. Hver elektrons spin er altid koblet til dens bevægelse, dvs. dens kredsløb inde i chippen. Denne spin-kredsløbskobling muliggør målrettet manipulation af elektronspin ved et eksternt elektrisk felt, men det får også spindets orientering til at forfalde, hvilket fører til tab af information.

I et internationalt samarbejde med kolleger fra USA og Brasilien, forskere fra University of Basel's Department of Physics og Swiss Nanoscience Institute, ledet af professor Dominik Zumbühl, har udviklet en ny metode, der giver mulighed for målrettet spin-manipulation uden det medfølgende forfald.

Styring af spins over lange afstande

Forskerne har udviklet en chip, hvorpå en elektron roterer ensartet i sin bane gennem materialet uden henfald af spindet. Spinnets orientering følger et spiralmønster, der ligner en helix. Hvis spændingerne påført af to gate-elektroder ændres, det påvirker helixens bølgelængde; orienteringen af ​​spindet kan således påvirkes af en spændingsændring.

Rashba- og Dresselhaus-felterne bestemmer overvejende den spiralformede bevægelse af spindet. I det ovenfor beskrevne forsøg, markerne Dresselhaus og Rashba kan holdes på samme niveau, mens den samlede styrke af de to felter kan kontrolleres samtidigt:på denne måde, spindets henfald kan undertrykkes.

Dette gør det muligt for forskerne at bruge spændinger til at justere spindets orientering over afstande større end 20 mikrometer, hvilket er en særlig stor afstand på en chip og svarer til mange spin-rotationer. Spin information kan således overføres f.eks. mellem forskellige kvantebits.

Justering af felterne med elektriske spændinger

Denne metode er kun mulig, fordi som dette arbejde viste eksperimentelt for første gang, både Rashba-feltet og Dresselhaus-feltet kan justeres med elektriske spændinger. Selvom dette blev forudsagt for mere end 20 år siden i en teoretisk undersøgelse, det har først nu været muligt at demonstrere det takket være en nyudviklet målemetode baseret på kvanteinterferenseffekter ved lave temperaturer nær det absolutte nulpunkt. Det er forventet, imidlertid, at helixen også vil kunne styres med spændinger ved højere temperaturer og endda ved stuetemperatur.

Grundlag for videre udvikling

"Med denne metode, vi kan ikke kun påvirke spin-orienteringen in situ, men også kontrollere overførslen af ​​elektronspin over længere afstande uden tab, " siger Zumbühl. Det fremragende samarbejde med kolleger fra University of São Paulo, University of California og University of Chicago giver grundlaget for en helt ny generation af enheder, der bygger på spin-baseret elektronik og skaber udsigter til yderligere eksperimentelt arbejde.