Kvanttipiireillä läpimurto spintroniikalle

Delftin teknillisen yliopiston tutkijat ovat ensimmäistä kertaa havainneet grafeenissa kvantti-spinvirtoja ilman magneettikenttiä. Nämä virrat ovat elintärkeitä spintroniikalle, joka on nopeampi ja energiatehokkaampi vaihtoehto elektroniikalle.

Tämä Nature Communications -lehdessä julkaistu läpimurto on tärkeä askel kohti teknologioita, kuten kvanttilaskentaa ja edistyneitä muistirakenteita.

Kvanttifyysikko Talieh Ghiasi on osoittanut grafeenin kvantti-spin-Hall (QSH) -ilmiön ensimmäistä kertaa ilman ulkoisia magneettikenttiä. QSH-ilmiö saa elektronit liikkumaan grafeenin reunoja pitkin ilman häiriöitä, kaikkien niiden spinien osoittaessa samaan suuntaan.

”Spin on elektronien kvanttimekaaninen ominaisuus, joka on kuin pieni magneetti, jota elektronit kantavat ja joka osoittaa ylös tai alas”, Ghiasi selittää. ”Voimme hyödyntää elektronien spiniä informaation siirtämiseen ja käsittelyyn spintronisissa rakenteissa. Niistä muodostetuilla piireillä on lupauksia seuraavan sukupolven teknologioille, mukaan lukien nopeampi ja energiatehokkaampi elektroniikka, kvanttilaskenta ja edistyneet muistipiirit.”

Kvanttikuljetuksen toteuttaminen grafeenissa vaatii tyypillisesti suurten ulkoisten magneettikenttien käyttöä, jotka eivät ole yhteensopivia elektronisten piirien kanssa. ”Erityisesti kvanttispinvirtojen havaitseminen grafeenissa on aina vaatinut suuria magneettikenttiä, joita on käytännössä mahdotonta integroida sirulle. Näin ollen se, että nyt saavutamme kvanttispinvirrat ilman ulkoisia magneettikenttiä, avaa tien näiden kvanttispintronisten rakenteiden tulevaisuuden sovelluksille”, Ghiasi sanoo.

Van der Zantin laboratorion tutkijat pystyivät ohittamaan ulkoisten kenttien tarpeen kerrostamalla grafeenin magneettisen materiaalin, CrPS₄:n, päälle. Tämä magneettinen kerros muutti merkittävästi grafeenin sähköisiä ominaisuuksia, mikä johti grafeenin QSH-ilmiöön. Ghiasi: ”Havaitsimme, että grafeenin spin-kuljetusta muokkaa viereinen CrPS₄ siten, että elektronien kulku grafeenissa tulee riippuvaiseksi elektronien spin-suunnasta.”

Grafeeni-CrPS₄ -pinossa tutkijoiden havaitsemat kvanttispinvirrat ovat topologisesti suojattuja, mikä tarkoittaa, että spinsignaali pysyy ehjänä kymmenien mikrometrien pituisia matkoja menettämättä spin-informaatiota piirissä.” Nämä topologisesti suojatut spinvirrat ovat kestäviä häiriöitä ja vikoja vastaan, mikä tekee niistä luotettavia jopa epätäydellisissä olosuhteissa”, Talieh Ghiasi sanoo. Spin-signaalin säilyttäminen ilman informaation menetystä on elintärkeää spintronisten piirien rakentamisessa.

Tämä löytö tasoittaa tietä ultraohuille, grafeenipohjaisille spintronisille piireille, jotka ovat lupaavia edistysaskeleita seuraavan sukupolven muisti- ja laskentateknologioissa.

Grafeenissa havaitut spinvirrat tarjoavat tehokkaan uuden reitin kvantti-informaation tehokkaaseen ja koherenttiin siirtoon elektronispinien kautta.

Nämä vankat spintroniset laitteet voisivat toimia olennaisina rakenneosia kvanttilaskennassa, linkittäen saumattomasti kubitteja yhteen kvanttipiireissä.

Aiheesta aiemmin

Horisontissa sähköisesti ohjelmoitava spintroniikka

Sähköinen spinin hallinta altermagneettisissa kvanttimateriaaleissa

Grafeeni ja magnetismi