Progresele tehnologice permit Spintronica practică a semiconductorilor

Instalație experimentală similară cu cea utilizată de cercetători. Credit: Thor Balkhed

Ar putea fi posibil în viitor să se utilizeze tehnologia informației în cazul în care rotația electronilor este utilizată pentru a procesa informații în computerele cuantice. Obiectivul oamenilor de știință a fost mult timp să poată utiliza tehnologia informației cuantice bazată pe rotații la temperatura camerei. Cercetătorii din Suedia, Finlanda și Japonia au construit acum un dispozitiv semiconductor în care informațiile pot fi schimbate eficient între rotația electronică și lumină – la temperatura camerei și peste.

Este bine cunoscut faptul că electronii au o sarcină negativă și, de asemenea, au o altă proprietate, și anume rotația. Acesta din urmă poate fi util în avansarea tehnologiei informației. Pur și simplu, ne putem imagina electronul rotindu-se în jurul axei sale, similar cu modul în care Pământul se rotește în jurul propriei sale axe. Spintronics – un candidat promițător pentru viitorul tehnologiei informației – folosește această proprietate cuantică a electronilor pentru a stoca, procesa și transfera informații. Acest lucru aduce beneficii semnificative, cum ar fi viteza mai mare și consumul de energie mai mic decât electronice tradiționale.

Weimin Chen

Weimin Chen, profesor la Universitatea Linköping. Credit: Peter Modin / LiU

Evoluțiile în spintronică din ultimele decenii s-au bazat pe utilizarea metalelor și acestea au fost destul de semnificative pentru capacitatea de a stoca cantități mari de date. Cu toate acestea, ar exista unele avantaje în utilizarea spintronicii bazate pe semiconductori, în același mod în care semiconductorii formează coloana vertebrală a electronicii și a fotonicii de astăzi.

“Un avantaj important al spintronicii bazate pe semiconductori este capacitatea de a converti informațiile reprezentate de starea de rotație și de a le transfera în lumină și invers. Tehnologia este cunoscută sub numele de opto-spintronică. Aceasta ar permite integrarea procesării și a stocarea informațiilor bazată pe transferul de informații prin lumină ”, a spus Weimin Chen, profesor la Universitatea Linköping din Suedia, care a condus proiectul.

Întrucât electronica utilizată astăzi funcționează la temperatura camerei și peste, o problemă serioasă în dezvoltarea spintronicii a fost aceea că electronii tind să comute și să-și aleatorizeze direcția de rotație pe măsură ce temperatura crește. Aceasta înseamnă că informațiile codificate de stările de rotație a electronilor se pierd sau devin neclare. Prin urmare, este o condiție necesară pentru dezvoltarea spintronicii bazate pe semiconductori că putem orienta în esență toți electronii în aceeași stare de rotație și să-l menținem, cu alte cuvinte că sunt polarizați de rotație, la temperatura camerei și la temperaturi mai ridicate. Cercetările anterioare au atins o polaritate mai mare a rotației electronilor cu aproximativ 60% la temperatura camerei, instabilă pentru aplicații practice la scară largă.

Cercetători la Universitatea Linköping, Universitatea din Tampere și Universitatea Hokkaido au realizat acum o polarizare a rotației electronilor la temperatura camerei mai mare de 90%. Polarizarea de rotație rămâne la un nivel ridicat chiar și până la 110 ° C. Acest progres tehnologic, care este descris în Fotonica naturii, se bazează pe o nanostructură opto-spintronică pe care cercetătorii au construit-o din straturi de diferite materiale semiconductoare (a se vedea descrierea de mai jos articol). Conține regiuni ale nanoscalei numite puncte cuantice. Fiecare punct cuantic este de aproximativ 10.000 de ori mai mic decât grosimea părului uman.

Nanostructura opto-spintronică cuantică

Punctele cuantice din nanostructura opto-spintronică sunt fabricate din arsenic de indiu (InAs). Fiecare punct cuantic este de aproximativ 10.000 de ori mai mic decât grosimea părului uman. Credit: Yuqing Huang

Când un spin polarizat al electronului lovește într-un punct cuantic, acesta emite lumină – pentru a fi mai precis, emite un singur foton cu o stare (moment unghiular) determinată de rotația electronului. Astfel, punctele cuantice sunt considerate a avea un mare potențial ca o interfață pentru a transfera informații între rotația electronică și lumină, așa cum ar fi necesar în spintronică, fotonică și calcul cuantic. În noul studiu publicat, oamenii de știință arată că este posibil să se utilizeze un filtru de rotire adiacent pentru a controla rotația electronică a punctelor cuantice la distanță și la temperatura camerei.

Punctele cuantice sunt fabricate din arsenidă de indiu (InAs), iar un strat de arsenidă de azot de galiu (GaNAs) acționează ca un filtru de rotație. Un strat de arsenidă de galiu (GaAs) este plasat între ele. Structuri similare sunt deja utilizate în tehnologia optoelectronică bazată pe arsenid de galiu, iar cercetătorii consideră că acest lucru ar putea facilita integrarea spintronicii cu componentele electronice și fotonice existente.

“Suntem foarte fericiți că eforturile noastre pe termen lung de a crește expertiza necesară pentru fabricarea semiconductoarelor cu conținut N extrem de controlat stabilesc o nouă frontieră în spintronică. Până acum, am avut un nivel bun de succes atunci când folosim astfel de materiale pentru dispozitive optoelectronice , cel mai recent în celule solare și diode laser de înaltă eficiență. Acum așteptăm cu nerăbdare să continuăm această lucrare și să combinăm fotonica și spintronica, folosind o platformă comună pentru tehnologia cuantică bazată pe lumină și bazată pe rotație “, spune profesorul Mircea Guina, șef al echipei de cercetare de la Universitatea din Tampere din Finlanda.


Ce este spintronica?

Spintronica este o tehnologie care utilizează atât rotația sarcinii, cât și rotația electronilor pentru a procesa și transmite informații.

Spinul unui electron poate fi prevăzut să apară atunci când electronul se rotește în sensul acelor de ceasornic sau în sensul acelor de ceasornic în jurul axei sale, în același mod în care Pământul se rotește în jurul axei sale. Cele două direcții de rotație sunt numite „sus” și „jos”. În tehnologia electronică utilizată astăzi, sarcina electronică este utilizată pentru a reprezenta 0 și 1 și, astfel, transportă informații. În mod adecvat, informațiile pot fi prezentate în spintronică folosind starea de rotație a electronilor.

Ilustrația nanostructurii opto-spintronice

În nanostructura opto-spintronică, un grad de polarizare a rotației electronice mai mare de 90% este atins la temperatura camerei la un punct cuantic, prin filtrarea rotației permise de defectul de distanță printr-un strat adiacent de arsenic azotat de galiu (GaNAs). Când un astfel de electron polarizat se rotește, acesta emite lumină chirală. Starea de rotație a electronului determină dacă câmpul electromagnetic al luminii se va roti în sensul acelor de ceasornic sau în sensul acelor de ceasornic în jurul direcției de deplasare. Credit: Yuqing Huang

În lumea fizicii cuantice, un electron poate să posede ambele direcții de rotație în același timp (și astfel să se afle într-o stare care este un amestec de 1 și 0). Acest lucru este, desigur, complet inimaginabil în lumea tradițională „clasică” și este cheia pentru calculul cuantic. Prin urmare, Spintronics promite dezvoltarea computerelor cuantice.

Opto-spintronica implică transferul de informații reprezentat de starea de rotație a electronilor în lumină și invers. Lumina, fotonii, poate transporta apoi informațiile prin fibre optice, foarte repede și pe distanțe mari. Starea de rotație a electronului determină proprietățile luminii sau, pentru a fi mai precis, determină dacă câmpul electromagnetic al luminii se va roti în sensul acelor de ceasornic sau în sensul acelor de ceasornic în jurul direcției de deplasare, în același mod în care poate avea un dop cu o rotație în sens invers acelor de ceasornic. sau în sensul acelor de ceasornic.

Sursa: Weimin Chen, profesor la Universitatea Linköping


Referință: „Polarizarea rotației electronilor la temperatura camerei care depășește 90% într-o nanostructură semiconductoare opto-rotativă prin filtrare prin rotație la distanță” de Yuqing Huang, Ville Polojärvi, Satoshi Hiura, Pontus Höjer, Arto Ahoara, Riku I, Mircea Guina, Mircea Guina, Sato , Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova și Weimin M. Chen, 8 aprilie 2021, Fotonica naturii.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00786-y

Sprijinul financiar pentru cercetare este oferit de, printre alte organisme, Consiliul suedez de cercetare, Fundația suedeză pentru cooperare internațională în cercetare și învățământ superior (STINT), zona de cercetare strategică a guvernului suedez pentru materiale funcționale la Universitatea Linköping, Consiliul European de Cercetare ERC, Academia Finlandei și Societatea Japoneză pentru Promovarea Științei.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.