Forskere rapporterer gennembrud, der muliggør praktisk halvleder -spintronik

Det kan være muligt i fremtiden at bruge informationsteknologi, hvor elektronspin bruges til at gemme, behandle og overføre oplysninger i kvantecomputere. Det har længe været forskernes mål at kunne bruge spinbaseret kvanteinformationsteknologi ved stuetemperatur. Et team af forskere fra Sverige, Finland og Japan har nu konstrueret en halvlederkomponent, hvori information effektivt kan udveksles mellem elektron -spin og lys ved stuetemperatur og derover. Den nye metode er beskrevet i en artikel offentliggjort i Natur fotonik .

Det er velkendt, at elektroner har en negativ ladning; de har også en anden egenskab kaldet spin. Dette kan vise sig at være med til at fremme informationsteknologiens fremskridt. For at sige det enkelt, vi kan forestille os, at elektronen roterer rundt om sin egen akse, ligner den måde, hvorpå Jorden roterer omkring sin egen akse. Spintronics - en lovende kandidat til fremtidig informationsteknologi - bruger elektronens kvanteegenskab til at lagre, behandle og overføre oplysninger. Dette giver vigtige fordele, såsom højere hastighed og lavere energiforbrug end traditionel elektronik.

Udviklingen inden for spintronics i de seneste årtier har været baseret på anvendelse af metaller, og disse har haft stor betydning for muligheden for at lagre store datamængder. Der ville, imidlertid, være flere fordele ved at bruge spintronics baseret på halvledere, på samme måde som halvledere udgør rygraden i nutidens elektronik og fotonik.

"En vigtig fordel ved spintronics baseret på halvledere er muligheden for at konvertere den information, der repræsenteres af spin -tilstanden og overføre den til lys, og omvendt. Teknologien er kendt som opto-spintronics. Det ville gøre det muligt at integrere informationsbehandling og lagring baseret på spin med informationsoverførsel gennem lys, "siger Weimin Chen, professor ved Linköpings universitet, Sverige, der ledede projektet.

Da elektronik, der bruges i dag, fungerer ved stuetemperatur og derover, et alvorligt problem i udviklingen af ​​spintronik har været, at elektroner har en tendens til at skifte og randomisere deres drejeretning, når temperaturen stiger. Det betyder, at den information, der kodes af elektronspintilstandene, går tabt eller bliver tvetydig. Det er således en nødvendig betingelse for udviklingen af ​​halvlederbaseret spintronik, at vi stort set kan orientere alle elektroner til den samme spin-tilstand og opretholde den, med andre ord, at de er spin -polariserede, ved stuetemperatur og højere temperaturer. Tidligere forskning har opnået den højeste elektron -spin -polarisering på omkring 60% ved stuetemperatur, uholdbar til store praktiske anvendelser.

Forskere ved Linköpings universitet, Tampere University og Hokkaido University har nu opnået en elektron -spin -polarisering ved stuetemperatur større end 90%. Spinpolarisationen forbliver på et højt niveau, selv op til 110 ° C. Dette teknologiske fremskridt, som er beskrevet i Natur fotonik , er baseret på en opto-spintronisk nanostruktur, som forskerne har konstrueret af lag af forskellige halvledermaterialer. Den indeholder nanoskalaområder kaldet kvantepunkter. Hver kvantepunkt er omkring 10, 000 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår. Når en spin -polariseret elektron rammer en kvantepunkt, det udsender lys - for at være mere præcis, den udsender en enkelt foton med en tilstand (vinkelmoment) bestemt af elektron -spin. Dermed, kvanteprikker anses for at have et stort potentiale som en grænseflade til at overføre information mellem elektronspind og lys, som det vil være nødvendigt inden for spintronics, fotonik og kvanteberegning. I den nyligt publicerede undersøgelse, forskerne viser, at det er muligt at bruge et tilstødende centrifugeringsfilter til fjernstyring af elektronspin af kvantepunkterne, og ved stuetemperatur.

Kvantepunkterne er lavet af indiumarsenid (InAs), og et lag galliumnitrogenarsenid (GaNA'er) fungerer som et filter af centrifugering. Et lag galliumarsenid (GaAs) er klemt mellem dem. Lignende strukturer bruges allerede i optoelektronisk teknologi baseret på galliumarsenid, og forskerne mener, at dette kan gøre det lettere at integrere spintronics med eksisterende elektroniske og fotoniske komponenter.

"Vi er meget glade for, at vores langsigtede bestræbelser på at øge den ekspertise, der kræves for at fremstille stærkt kontrollerede N-holdige halvledere, definerer en ny grænse inden for spintronics. Indtil videre har vi har haft en god succes ved brug af sådanne materialer til optoelektroniske enheder, senest i højeffektive solceller og laserdioder. Nu glæder vi os til at fortsætte dette arbejde og til at forene fotonik og spintronics, ved hjælp af en fælles platform for lysbaseret og spinbaseret kvanteteknologi, "siger professor Mircea Guina, leder af forskerteamet ved Tampere University i Finland.