Kvanttimateriaalilla läpimurto spintroniikkaan

Koska spintroniikka perustuu magnetismiin – joka on vakaa tila – eikä ole riippuvainen jatkuvista latausvirroista, spintroniikka voisi mahdollistaa nopeamman ja energiatehokkaamman elektroniikan pienemmillä lämpöhäviöillä.

Lupauksistaan huolimatta useita haasteita on vielä edessä, ennen kuin spintroniikka voi hyödyttää yhteiskuntaa laajasti. Keskeinen kysymys on elektronien spinin – eli niiden magneettisen suunnan – riittävä hallinta.

Tähän mennessä spinin suunnan hallitsemiseksi suurella tarkkuudella on tarvittu voimakkaita sähkövirtoja tai ulkoisia magneettikenttiä, mikä heikentää toivottuja energiansäästöjä. Tämä johtuu osittain siitä, että näitä magneettisia tiloja on ollut vaikea indusoida olemassa oleviin materiaaleihin, ja osittain siitä, että ymmärryksemme kvanttispin-ilmiöistä on vielä rajallista.

Chalmersin tutkijat ovat nyt ottaneet tärkeän askeleen eteenpäin. Pinoamalla kaksi kvanttimateriaalia päällekkäin he ovat löytäneet tavan hallita elektronien spiniä vertaansa vailla olevalla tarkkuudella – ilman ulkoisia magneettikenttiä tai voimakkaita sähkövirtoja.

”Näiden kahden kvanttimateriaalin yhdistelmä mahdollistaa elektronien spinin hallitsemisen vain hyvin pienillä sähkövirroilla. Se toimii myös huoneenlämmössä, mikä tarkoittaa, että menetelmä voisi lopulta tehdä tietojenkäsittely- ja muistiteknologioista sekä nopeampia että energiatehokkaampia”, sanoo Saroj Dash, Nature Communicationsissa julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja.

Menetelmä, jossa atomaarisesti ohuita kerroksia pinotaan huolellisesti eri kvanttimateriaaleista, tunnetaan fysiikassa van der Waalsin heterorakenteina.

Chalmersin tutkijoiden ratkaisussa he yhdistävät materiaalin, jonka magnetismi on suunnattu kohtisuoraan pintaan nähden, toiseen materiaaliin, jonka elektroneilla on epätavallisia ominaisuuksia. Yhdessä ne synnyttävät täysin uuden ja tutkimattoman magneettisen dynamiikan.

Heikkojen sähkövirtojen avulla tutkijat voivat sitten ohjata magnetismin suuntaa niin, että elektronien spin vaihtuu haluttuun suuntaan. Vaikutus voidaan osittain selittää yhden käytetyn kvanttimateriaalin rakenteelle ominaisella epäsymmetrialla.

Ratkaiseva osa läpimurtoa on kahden materiaalin välinen rajapinta, joka on täysin sileä ja luo siksi ihanteellisen liitoksen ilman "kitkaa" tai vikoja. Tämä mahdollistaa spin-informaation siirtämisen materiaalien välillä heikentymättä tai häiriintymättä.

”Voit ajatella sitä täysin puhtaana siltana kahden materiaalin välillä”, sanoo Saroj Dash. ”Tämä atomaarisesti ohut ja täydellisen tasainen rajapinta tarkoittaa, että spin-signaali pysyy täysin ehjänä liikkuessaan materiaalien välillä”, Saroj selittää.

Tutkijoiden mukaan kytkentä on sekä vahva että hallittavissa ja avaa siten oven spintroniikalle käytännössä.

Aiheesta aiemmin:

Tulevaisuutta muovaten

Elektronispinien kaksoismomentti vauhdittaa spintroniikkaa

Sähköinen spinin hallinta altermagneettisissa kvanttimateriaaleissa