Mod ultrahurtig spintronics

Elektronik har avanceret gennem kontinuerlige forbedringer inden for mikroprocessorteknologi siden 1960'erne. Imidlertid, denne forædlingsproces forventes at gå i stå i den nærmeste fremtid på grund af begrænsninger i fysikkens love. Nogle af disse flaskehalse er allerede trådt i kraft. For eksempel, processorhastighederne ikke har overskredet et par gigahertz, eller flere operationer pr. nanosekund, i de sidste 20 år, en begrænsning som følge af siliciums elektriske modstand. Dette har ført til en stadig mere presserende global søgning efter overlegne alternativer til halvlederelektronik.

En af de førende kandidater, spintronics, er baseret på ideen om at bære information via elektronernes spin. At bruge spinstrømme til at formidle information er et spændende perspektiv, fordi det indebærer et lavere energiforbrug end almindelige elektriske strømme. Der er, imidlertid, mange praktiske vanskeligheder, der skal overvindes. En af de mest alvorlige er spin -injektionsproblemet, overførsel af en spin -strøm fra et materiale til et andet (f.eks. fra et magnetisk metal til en halvleder). Dette har en tendens til at kryptere spins, ødelægger de oplysninger, de bærer.

Nu, et gennembrud i hastigheden og effektiviteten af ​​spintronics er opnået af et team af forskere fra Nanyang Technological University (NTU), det nationale universitet i Singapore (NUS), og Agenturet for Videnskab, Teknologi og forskning (A*STAR) i Singapore, samt Los Alamos National Lab i USA. De har vist, at en ultrakort puls af spinstrøm, varer mindre end et picosekund (en billionion af et sekund), kan injiceres fra et metal til en halvleder med fantastisk effektivitet, at bryde den tidligere spin -injektionsrekord med over 10000 gange. Disse fund blev beskrevet i et par papirer, der for nylig blev offentliggjort i de førende videnskabelige tidsskrifter Naturfysik og Avancerede materialer .

I disse forsøg, ultrakorte spin nuværende pulser frembringes ved at skinne en laserpuls på kobolt, et magnetisk metal. Dette genererer en sværm af ophidsede elektroner med spinpolarisering, hvilket betyder, at spinnene for det meste peger i samme retning. De spin-bærende elektroner bevæger sig derefter udad, spredes til andre tilstødende materialer.

"Vi ville vise, at disse ultrakorte spin -strømimpulser kan bruges til effektiv spin -injektion, "siger Marco Battiato, en Nanyang -adjunkt ved NTU og medlem af forskerholdet, der havde fremført den første teoretiske forudsigelse af dette fænomen i 2016. Han bemærker, at den udadgående diffusion af spinstrømspulser finder sted over flere hundrede femtosekunder (et femtosekund er en tusindedel af et picosekund). Dette er op til 1000 gange hurtigere end konventionelle elektroniske enheder, gør det potentielt nyttigt til fremtidige højhastigheds-spintronic-enheder.

Den ekstreme hastighed af spin -diffusionen, selvom det er spændende, gør også fænomenet svært at studere i eksperimenter ved hjælp af nutidens elektroniske teknologier. "Vi var nødt til at udarbejde en omhyggelig strategi for at måle spinstrømmene, der strømmer ind i den halvledende del af enheden, "siger lektor Elbert Chia, der overvågede den eksperimentelle del af projektet på NTU. "For at opnå dette, vi brugte en halvleder indeholdende tunge elementer, som konverterer spin -strømme til ultrakorte elektriske strømme. Hele prøven bliver derefter til en elektromagnetisk antenne, udsender stråling ved terahertz -frekvenser (mellem mellem mikrobølger og infrarødt lys). Vi er i stand til at måle denne stråling, arbejd derefter baglæns for at finde ud af den originale centrifugeringsstrøm. "

Ved omhyggeligt at vælge materialerne i deres spintronic -enhed, holdet var i stand til at vise endegyldigt, at en spin-polariseret strøm blev injiceret i halvlederen. Overraskende, styrken af ​​denne centrifugeringsstrøm viste sig at være over 10, 000 gange større end den tidligere rekord. "I rigtige enheder, sådanne stærke centrifugeringsstrømme vil ikke være nødvendige, så man kan slippe afsted med betydeligt svagere ophidselser, "bemærker lektor Chia. I opfølgende forsøg, forfatterne har været i stand til at bestemme, hvor lang tid det tog for spin -strømmen at dannes og henfalde.

"Det mest slående aspekt er muligvis, at alt dette blev demonstreret ved hjælp af en simpel metal-halvleder-grænseflade, uden den komplicerede og dyre konstruktionsteknik, man ser i andre spintroniske forsøg, "siger Nanyang -adjunkt Justin Song, en teoretisk fysiker og National Research Foundation Fellow (NRFF), der også var en del af projektet. Prøverne blev fremstillet af forskergruppen for lektor Hyunsoo Yang i NUS.

"Disse resultater repræsenterer et grundlæggende skridt i udviklingen af ​​ultrahurtig spintronics baseret på spin -strøm superdiffusion, "siger Nanyang adjunkt Battiato. I fremtiden vil teamet forestiller sig, at denne effektive spin-injektionsproces bliver en af ​​nøgleteknologierne bag højhastigheds-spintronic-computere.