Spintroniikkaa ja topologiaa

Baselin yliopiston ja Sveitsin Nanoscience Instituten fyysikot kertoivat heinäkuussa kehittäneensä uuden tekniikan, jossa jännitteellä hallitaan elektronin spiniä sirulla. Kehitetty menetelmä antaa suojan spinin rappeutumiselle, eli spinin sisältämää informaatiota voidaan säilyttää ja siirtää suhteellisen pitkiä matkoja.

Useiden vuosien ajan tutkijat ovat yrittäneet käyttää elektronin spiniä tallentamaan ja välittämään informaatiota. Kunkin elektronin spin on aina kytketty sen liikkeeseen, eli sen kiertorataan sirun sisällä. Tämä spin-orbit kytkentä mahdollistaa elektronin spinin manipuloinnin ulkoisella sähkökentällä, mutta se aiheuttaa myös spinin orientaation rappeutumisen.

Nyt kehitetyssä tekniikassa elektroni pyörii tasaisesti kiertoradallaan materiaalin läpi ilman spinin rappeutumista. Spinin orientaatio seuraa spiraalimaisesti samanlaista kierrettä. Jos jännitettä kahdessa hilaelektrodissa muutetaan, se vaikuttaa kierteen aallonpituuteen; eli spinin orientaatioon voidaan vaikuttaa jännitteen muutoksella.

Tämä mahdollisti tutkijoiden käyttää jännitteitä spin suunnan säätämiseksi yli 20 mikrometrin matkoilla, mikä on jo riittävä matka mikropiirillä.

Topologisissa eristeissä elektronien spin on suojattu sironnalta liikkuessaan topologisten eristeinen pintakanavien läpi. Täten topologiset eristeet voisivat toteuttaa vanhan unelman: suora spin-pohjainen tietojenkäsittelyn, ns spintroniikan.

Würzburgin yliopiston fyysikot ovat kehittäneet tähän tarkoitukseen uutta lupaavaa materiaalia. Tähän asti topologisten eristeiden pintakanavia on voitu käyttää vain alhaisissa lämpötiloissa. Würzburgin läpimurto perustuu erittäin ohueen kalvoon, joka koostuu yhdestä kerroksesta vismuttiatomeja kerrostettuna piikarbidisubstraatille.

Tutkijoiden mukaan piikarbidisubstraatin kiteinen rakenne aiheuttaa vismuttiatomien järjestymisen hunajakennomaiseen geometriaan vismuttikalvoa kerrostettaessa. Rakenne muistuttaa grafeenia, joten tutkijat ovat nimenneet sen vismuteeniksi (bismuthene).

Ratkaisevan erona on, että vismuteeni muodostaa kemiallisen sidoksen alustaan. Kun vismutti on sähköä johtava metalli, sen hunajakennomainen yksikerrosrakenne on edelleen eriste, jopa huoneen lämpötilassa.

Würzburgin tutkijat uskovat, että tämä on askel saada materiaali toimimaan huoneenlämmössä, mikä luo kiinnostavia sovellusmahdollisuuksia realistisissa olosuhteissa.

Linköpingin yliopiston tutkijat kertoivat kesäkuun lopulla, miten yhdistää yleisesti käytetty puolijohde topologisen eristeen kanssa.

LiUn tutkijat tuottivat elektroneja, joilla oli sama spin galliumarsenidissa, GaAs, ympäripolarisoidulla valolla. Sitten spin-polarisoidut elektronit siirrettiin topologiseen eristeeseen muodostamaan suunnattu sähkövirta sen pinnalle.

Tutkijat voisivat hallita elektronien spinien suuntautumista sekä sähkövirran suuntaa ja vahvuutta topologisessa vismuttitelluridi Bi2Te3 eristeessä.

Tämä joustavuus ei ole ollut tutkijoiden mukaan aikaisemmin saatavilla. Kaikki tämä toteutettiin ilman ulkoista sähköjännitettä, mikä osoittaa mahdollisuuden siirtyä tehokkaasti valoenergiasta sähköön.

Grafeeni Flagship -tutkijat Chalmersin teknillisessä yliopistossa Göteborgissa, ovat osoittaneet grafeeni-pohjaisen spin kanavatransistorin toimivan huoneenlämpötilassa. Grafeenin on osoitettu kuljettavan spiniä pitkiä matkoja useidenkin Flagship ryhmien toimesta. Yhdistämällä grafeenin toiseen kerrostettuun materiaalin, molybneenidisulfidiin (MoS2), jossa spin kestää paljon vähemmän aikaa kuin grafeenissa, voi tuottaa spin kanavatransistorin kaltaisen laitteen.

Utahin yliopiston tutkijat ovat puolestaan selvitelleet perovskiitin mahdollisuuksia spintroniikalle. Tutkimuksissa selvisi yllättäen, että hybridi perovskiitti olisi lupaava materiaali spintroniikalle mutta se ei vielä selvinnyt miksi.