Fra Jorden til Mars:Transport af spininformation med lysets hastighed

Forskere har brugt elektriske impulser til at manipulere magnetisk information til et polariseret lyssignal, en opdagelse, der kan revolutionere langdistance optisk telekommunikation, herunder mellem Jorden og Mars.

Gennembruddet, beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i Nature , involverer feltet spintronics, som har til formål at manipulere elektronernes spin for at lagre og behandle information.

Forskerne anvendte en elektrisk impuls til at overføre denne spin-information fra elektroner til fotoner, partiklerne, der udgør lyset, hvilket gør det muligt at transportere informationen over store afstande med stor hastighed. Deres metode opfylder tre afgørende kriterier – drift ved stuetemperatur, intet behov for magnetfelt og evnen til elektrisk kontrol – og åbner døren til en række applikationer, herunder ultrahurtig kommunikation og kvanteteknologier.

"I årtier har vi drømt om og forudsagt rumtemperatur-spintroniske enheder ud over magnetoresistens og blot lagre information. Med dette holds opdagelse bliver vores drømme til virkelighed," siger studiets medforfatter, Igor Žutić, SUNY Distinguished Professor i fysik ved universitetet hos Buffalo.

Undersøgelsen blev ledet af Jean Lamour Institute, en fælles enhed af Frankrigs nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) og universitetet i Lorraine. Andre bidragydere repræsenterer universiteter og institutter i Frankrig, Tyskland, Japan, Kina og USA.

Spintronic-enheder kan erstatte konventionel elektronik

I spintronics, som er blevet brugt med succes i magnetiske computerharddiske, er information repræsenteret af elektronspin og, ved dets proxy, magnetiseringsretningen.

Ferromagneter, såsom jern eller kobolt, har et ulige antal elektroner, hvis spin er orienteret enten langs eller mod magnetiseringsaksen. Elektroner med spin langs magnetiseringen bevæger sig jævnt hen over en ferromagnet, mens dem med modsat spin-orientering hoppes rundt. Dette repræsenterer binær information, 0 og 1.

Den resulterende ændring af modstanden er nøgleprincippet for spintroniske enheder, hvis magnetiske tilstand, som kan betragtes som lagret information, opretholdes på ubestemt tid. Ligesom en køleskabsmagnet ikke behøver strøm for at forblive klæbet til døren, ville spintronic-enheder kræve meget mindre strøm end konventionel elektronik.

Men i lighed med at tage en fisk op af vandet, går spininformation hurtigt tabt og kan ikke rejse langt, når elektroner tages ud af ferromagneten. Denne store begrænsning kan overvindes ved at bruge lys gennem dets cirkulære polarisering, også kendt som helicity, som en anden spin-bærer.

Ligesom mennesker for århundreder siden brugte brevduer til at transportere skriftlig kommunikation længere og hurtigere, end det kunne gøres til fods, ville tricket være at overføre elektronspin til fotos, lysets kvantum.

Spin-LED'er opfylder tre kriterier

Tilstedeværelsen af ​​spin-kredsløbskobling, som også er ansvarlig for tab af spininformation uden for ferromagneten, gør en sådan overførsel mulig. Det afgørende manglende led er så at elektrisk modulere magnetiseringen og derved ændre heliciteten af ​​det udsendte lys.

"Konceptet med spin-LED'er blev oprindeligt foreslået i slutningen af ​​forrige århundrede. Men for overgangen til en praktisk anvendelse skal det opfylde tre afgørende kriterier:drift ved stuetemperatur, intet behov for magnetfelt og evnen til at elektrisk kontrol," siger undersøgelsens tilsvarende forfatter, Yuan Lu, senior CNRS-forsker ved Jean Lamour Institute.

"Efter mere end 15 års dedikeret arbejde på dette felt har vores samarbejdshold med succes overvundet alle forhindringer."

Forskerne skiftede med succes magnetiseringen af ​​en spin-injektor med en elektrisk impuls ved hjælp af spin-orbit-drejningsmomentet. Elektronens spin omdannes hurtigt til information indeholdt i heliciteten af ​​de udsendte fotoner, hvilket muliggør en sømløs integration af magnetiseringsdynamik med fotoniske teknologier.

Denne elektrisk styrede spin-foton-konvertering opnås nu i elektroluminescensen af ​​lysemitterende dioder. I fremtiden, gennem implementeringen i halvlederlaserdioder, såkaldte spin-lasere, kan denne højeffektive informationskodning bane vejen for hurtig kommunikation over interplanetariske afstande, eftersom polarisering af lys kan bevares i rummets udbredelse, hvilket potentielt gør det til hurtigste kommunikationsmåde mellem Jorden og Mars.

Det vil også i høj grad gavne udviklingen af ​​forskellige avancerede teknologier på Jorden, såsom optisk kvantekommunikation og beregning, neuromorfisk databehandling til kunstig intelligens, ultrahurtige og højeffektive optiske transmittere til datacentre eller Light-Fidelity (LiFi) applikationer.

"Realiseringen af ​​spin-orbit-drejningsmoment spin-injektorer er et afgørende skridt, der i høj grad vil fremme udviklingen af ​​ultrahurtige og energieffektive spin-lasere til den næste generation af optisk kommunikation og kvanteteknologier," siger medforfatter Nils Gerhardt, professor ved Chair of Photonics and Terahertz Technology ved Ruhr University i Bochum.

Flere oplysninger: Pambiang Abel Dainone et al., Styring af lysets helicitet ved elektrisk magnetiseringsomskiftning, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07125-5

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University at Buffalo