Nyt kvantesystem kunne hjælpe med at designe bedre spintronics

Forskere har skabt en ny testplads for kvantesystemer, hvor de bogstaveligt talt kan tænde og slukke visse partikelinteraktioner, muligvis baner vejen for fremskridt inden for spintronics.

Spin transportelektronik har potentiale til at revolutionere elektroniske enheder, som vi kender dem, især når det kommer til computing. Mens standardelektronik bruger en elektronladning til at kode oplysninger, spintronic -enheder er afhængige af en anden iboende egenskab ved elektronen:dens spin.

Spintronics kunne være hurtigere og mere pålidelig end konventionel elektronik, da spin hurtigt kan ændres, og disse enheder bruger mindre strøm. Imidlertid, feltet er ungt, og der er mange spørgsmål, forskere skal løse for at forbedre deres kontrol med spin -information. Et af de mest komplekse spørgsmål, der plager feltet, er, hvordan signalet transporteres af partikler med spin, kendt som spin -strøm, henfalder over tid.

"Signalet, vi har brug for for at få spintronics til at fungere, og for at studere disse ting, kan forfalde. Ligesom vi vil have en god mobiltelefontjeneste til at foretage et opkald, vi ønsker, at dette signal skal være stærkt, "sagde Chuan-Hsun Li, en kandidatstuderende i el- og computerteknik ved Purdue University. "Når spin -strøm falder, vi mister signalet. "I den virkelige verden, elektroner eksisterer ikke uafhængigt af alt omkring dem og opfører sig nøjagtigt, som vi forventer dem. De interagerer med andre partikler og mellem forskellige egenskaber i sig selv. Samspillet mellem en partikels spin (en iboende egenskab) og momentum (en ekstern egenskab) er kendt som spin-orbit-kobling.

Ifølge et nyt papir i Naturkommunikation , spin-orbit-kobling og interaktioner med andre partikler kan dramatisk forbedre spin-strømforfald i et kvantevæske kaldet Bose-Einstein-kondensat (BEC).

"Folk vil manipulere spin -dannelse, så vi kan bruge det til at kode oplysninger, og en måde at gøre dette på er at bruge fysiske mekanismer som spin-orbit-kobling, "Sagde Li." Dog, dette kan føre til nogle ulemper, såsom tab af spin -information. "

Eksperimentet blev udført i laboratoriet i Yong Chen, professor i fysik og astronomi, og el- og computerteknik på Purdue, hvor hans team skabte noget som en mini -partikelkollider til BEC'er. Brug af lasere, Rubidium-87-atomer i et vakuumkammer blev fanget og afkølet næsten til absolut nul. (Fysik -junkier husker måske, at laserkølingsteknologier vandt Nobelprisen i fysik i 1997. Laserfangst vandt prisen i 2018.)

På dette tidspunkt, atomerne bliver en BEC:den koldeste og mest mystiske af de fem materielle tilstande. Efterhånden som atomer bliver koldere, de begynder at vise bølgelignende egenskaber. I denne kvantetilstand, de har en identitetskrise; de overlapper hinanden og holder op med at opføre sig som individer. Selvom BEC ikke teknisk set er en gas, dette kan være den nemmeste måde at forestille sig det på - fysikere henviser tilfældigt til det som kvantevæske eller kvantegas.

Inde i mini quantum fluid collider, Chens team sendte to BEC'er med modsatte spins, der smadrede ind i hinanden. Som to skyer af gas ville, de trænger delvist ind i hinanden, levere en spin -strøm.

"Mange fascinerende fænomener opstår, når du kolliderer to kondensater. Oprindeligt var de er overflødige, men når de støder sammen, en del af friktionen kan gøre dem til termisk gas, "Sagde Chen." Fordi vi kan styre alle parametre, dette er et virkelig effektivt system til at studere den slags kollisioner. "

Ved hjælp af dette system, forskere kan bogstaveligt talt slå spin-orbit-kobling til og fra, hvilket gør det muligt for dem at isolere dens virkning på rotationsstrømforfald. Dette kan ikke gøres med elektroner i materialer i fast tilstand, som er en del af det, der gør dette system så kraftfuldt, Sagde Chen.

Såkaldt kvantgas er det reneste system, mennesket kan lave. Der er ingen lidelse, hvilket gør det muligt at skabe en ren spindestrøm og studere dens egenskaber. Chen håber at blive ved med at bruge denne eksperimentelle testplads og deres bosoniske spinstrøm til yderligere at undersøge mange grundlæggende spørgsmål inden for spintransport og kvantedynamik.

"En vigtig udfordring for spintronics og andre relaterede kvanteteknologier er at reducere henfald, så vi kan formidle spin -information over længere afstande, i længere tid, "sagde han." Med denne nye viden om rollen som spin-orbit-kobling, dette kan hjælpe folk med at få ny indsigt i at reducere spin -henfald og potentielt også designe bedre spintronic -enheder. "