Nanoskala søjler som byggesten for fremtidens informationsteknologi

Forskere fra Linköping Universitet og Royal Institute of Technology i Sverige har foreslået et nyt enhedskoncept, der effektivt kan overføre informationen fra elektronspin til lys ved stuetemperatur - et springbræt mod fremtidig informationsteknologi. De præsenterer deres tilgang i en artikel i Naturkommunikation .

Lys og elektronladning er de vigtigste medier til informationsbehandling og -overførsel. I søgen efter informationsteknologi, der er endnu hurtigere, mindre og mere energieffektive, videnskabsmænd over hele kloden udforsker en anden egenskab ved elektroner - deres spin. Elektronik, der udnytter både spin og ladning af elektronen, kaldes "spintronics".

Ligesom Jorden, en elektron drejer rundt om sin egen akse, enten med eller mod uret. Rotationens håndhævelse omtales som spin-up og spin-down tilstande. I spintronics, de to tilstande repræsenterer de binære bits og bærer således information. Informationen kodet af disse spin-tilstande kan konverteres af en lysemitterende enhed til lys, som så fører informationen over en lang afstand gennem fiberoptik. Overførsel af kvanteinformation åbner mulighed for at udnytte både elektronspin og lys, og samspillet mellem dem, en teknologi kendt som "opto-spintronics".

Informationsoverførslen i opto-spintronik er baseret på princippet om, at elektronens spintilstand bestemmer egenskaberne af det udsendte lys. Mere specifikt, det er chiralt lys, hvor det elektriske felt roterer enten med eller mod uret, når det ses i lysets bevægelsesretning. Rotationen af ​​det elektriske felt bestemmes af elektronens spinretning. Men der er en fangst.

"Hovedproblemet er, at elektroner let mister deres spin-orientering, når temperaturen stiger. Et nøgleelement for fremtidige spin-light-applikationer er effektiv overførsel af kvanteinformation ved stuetemperatur, men ved stuetemperatur, elektronspin-orienteringen er næsten randomiseret. Dette betyder, at informationen, der er kodet i elektronspin, går tabt eller er for vag til at kunne konverteres pålideligt til dets distinkte chirale lys, " siger Weimin Chen ved Institut for Fysik, Kemi og biologi, IFM, ved Linköpings Universitet.

Nu, forskere fra Linköpings Universitet og Royal Institute of Technology har udtænkt en effektiv spin-light-grænseflade.

"Denne grænseflade kan ikke kun opretholde og endda forbedre elektronspin-signalerne ved stuetemperatur. Den kan også konvertere disse spin-signaler til tilsvarende chirale lyssignaler, der bevæger sig i en ønsket retning, " siger Weimin Chen.

Nøgleelementet i enheden er ekstremt små skiver af gallium nitrogen arsenid, GaNA'er. Skiverne er kun et par nanometer høje og stablet oven på hinanden med et tyndt lag galliumarsenid (GaAs) imellem for at danne skorstensformede nanopiller. Til sammenligning, diameteren af ​​et menneskehår er omkring tusind gange større end diameteren af ​​nanopillerne.

Den foreslåede enheds unikke evne til at forbedre spin-signaler skyldes minimale defekter introduceret i materialet af forskerne. Færre end én ud af en million galliumatomer er fortrængt fra deres udpegede gittersteder i materialet. De resulterende defekter i materialet fungerer som effektive spin-filtre, der kan dræne elektroner med en uønsket spin-orientering og bevare dem med den ønskede spin-orientering.

"En vigtig fordel ved nanopillar-designet er, at lys kan styres nemt og mere effektivt koblet ind og ud, " siger Shula Chen, første forfatter til artiklen.

Forskerne håber, at deres foreslåede enhed vil inspirere til nye designs af spin-light-grænseflader, som giver store løfter for fremtidige opto-spintronics-applikationer.