Kunne diamanter være en computers bedste ven?

For første gang, fysikere har vist, at information kan strømme gennem en diamanttråd. I forsøget elektroner strømmede ikke gennem diamant, som de gør i traditionel elektronik; hellere, de blev på plads og passerede langs en magnetisk effekt kaldet "spin" til hinanden ned ad ledningen - som en række sportstilskuere, der laver "bølgen".

Spin kunne en dag bruges til at overføre data i computerkredsløb - og dette nye eksperiment, udført på Ohio State University, afsløret, at diamant transmitterer spin bedre end de fleste metaller, hvori forskere tidligere har observeret effekten.

Forskere verden over arbejder på at udvikle såkaldt "spintronics, ", som kunne gøre computere hurtigere og mere kraftfulde på samme tid.

Diamond har meget for sig, når det kommer til spintronics, sagde ledende efterforsker Chris Hammel, Ohio Eminent Scholar i eksperimentel fysik ved Ohio State. Det er svært, gennemsigtig, elektrisk isolerende, uigennemtrængelig for miljøforurening, modstandsdygtig over for syrer, og holder ikke på varmen, som halvledere gør.

"I bund og grund, det er inert. Du kan ikke gøre noget ved det. Til en videnskabsmand, diamanter er lidt kedelige, medmindre du bliver forlovet, " sagde Hammel. "Men det er interessant at tænke på, hvordan diamant ville fungere i en computer."

Prisskiltet for diamanttråden nåede ikke forlovelsesringsproportioner, Hammel bekræftede. Det kostede kun $100, da det var lavet af syntetisk, snarere end naturligt, diamant.

Fundene her repræsenterer det første meget lille skridt ad en meget lang vej, der en dag kan føre til diamanttransistorer.

Men derudover, denne opdagelse kan ændre den måde, forskere studerer spin på, sagde Hammel.

Fundet vises i bladets udgave den 23. marts Natur nanoteknologi .

Elektroner opnår forskellige spintilstande afhængigt af den retning, de drejer i - op eller ned. Hammels team placerede en lille diamanttråd i et magnetisk resonanskraftmikroskop og opdagede, at spin-tilstandene inde i tråden varierede i overensstemmelse med et mønster.

"Hvis denne ledning var en del af en computer, det ville overføre information. Der er ingen tvivl om, at du ville være i stand til at fortælle i den fjerne ende af ledningen, hvad spin-tilstanden af ​​den oprindelige partikel var i begyndelsen, " han sagde.

Normalt, diamant kunne slet ikke bære spin, fordi dets kulstofatomer er låst sammen, med hver elektron fast knyttet til en naboelektron. Forskerne var nødt til at så ledningen med nitrogenatomer, for at der kunne være uparrede elektroner, der kunne spinde. Tråden indeholdt kun et nitrogenatom for hver tre millioner diamantatomer, men det var nok til at tråden kunne bære spin.

Eksperimentet virkede, fordi fysikerne i Ohio State var i stand til at observere elektronspin i mindre skala end nogensinde før. De fokuserede magnetfeltet i deres mikroskop på individuelle dele af ledningen, og fandt ud af, at de kunne registrere, når spin passerede gennem disse portioner.

Tråden målte kun fire mikrometer lang og 200 nanometer bred. For at se inde i det, de sætter magnetspolen i mikroskopet til at tænde og slukke i løbet af små brøkdele af et sekund, genererer impulser, der skabte 15-nanometer (ca. 50-atomer) brede snapshots af elektronadfærd. De vidste, at spin strømmede gennem diamanten, når en magnet på en sart udkrager flyttede små mængder, da den alternativt blev tiltrukket eller frastødt af atomerne i tråden, afhængig af deres spin-tilstande.

Endnu mere overraskende var det, at spin-tilstandene varede dobbelt så længe nær enden af ​​wiren end i midten. Baseret på almindelige forsøg, fysikerne ville forvente, at spin-tilstande varede i samme lang tid, uanset hvor målingen er foretaget. I dette tilfælde, spin-tilstande inde i ledningen varede i omkring 15 millisekunder, og nær slutningen varede de i 30 millisekunder.

Hammels team har mistanke om, at de var i stand til at se denne nye effekt til dels på grund af, hvor tæt de var i stand til at zoome ind på ledningen. Mens de fokuserede deres lille observationsvindue på spidsen af ​​ledningen, de oplevede spin, der strømmede i den eneste retning, det kunne flyde:ind i ledningen. Da de panorerede langs ledningen for at observere midten, "vinduet" tømmes for spin dobbelt så hurtigt, fordi spin-tilstandene kunne flyde i begge retninger - ind og ud af ledningen.

"Det er en dramatisk enorm effekt, som vi ikke havde forudset, " sagde Hammel.

Opdagelsen udfordrer den måde, forskere har studeret spin i de sidste 70 år, Hammel forklarede.

"Det faktum, at spins kan bevæge sig sådan her, betyder, at den konventionelle måde, som verden måler spindynamikken på på det makroskopiske niveau, skal genovervejes - det er faktisk ikke gyldigt, " han tilføjede.

Konventionelle eksperimenter har ikke den fine opløsning til at se ind i genstande så små som den ledning, der blev brugt i denne undersøgelse, og kan derfor kun se på sådanne objekter som en helhed. Under disse omstændigheder, forskere kan kun detektere den gennemsnitlige spin-tilstand:hvor mange elektroner i prøven peger opad, og hvor mange peger ned. Forskere ville ikke kende forskel, hvis nogle få elektroner i en del af prøven vendte fra ned til op, og en anden del vendte fra op til ned, fordi det gennemsnitlige antal spin ville forblive det samme.

"Det er ikke gennemsnittet, vi ønsker, " sagde Hammel. "Vi vil gerne vide, hvor meget spins varierer, og hvad er levetiden for en bestemt spin-tilstand."

Det er forskellen mellem at vide, at gennemsnitligt en fjerdedel af alle tilskuere på et stadion står på et hvilket som helst tidspunkt, og ved, at individuelle mennesker står og sidder i et mønster, der er timet til at danne "bølgen".

Ingen kunne se spins i diamant før, men dette eksperiment viste, at diamant kan transportere spin på en organiseret måde, bevarelse af spin-tilstand - og, dermed, bevare information.

Fysikerne var nødt til at nedkøle ledningen til 4,2 Kelvin (ca. -452 grader Fahrenheit eller -269 grader Celsius) for at bremse spindene og for at dæmpe deres følsomme detektor nok til at gøre disse få spins sporbare. Der skulle gøres mange fremskridt, før effekten kunne udnyttes ved stuetemperatur.