Läpimurto puolijohteiselle käytännön spintroniikalle

Optospintronisessa nanorakenteessa elektronien yli 90 % spinpolarisaation aste saavutetaan huonelämpötilassa kvanttipisteessä. Kun spinpolarisoitu elektroni rekombinoituu, se emittoi kiraalista valoa. 

Suurempi kuva

Tutkijoiden tavoitteena on jo pitkään ollut mahdollisuus käyttää spin-pohjaista kvanttitietotekniikkaa huoneenlämmössä.

Tutkijat Ruotsista, Suomesta ja Japanista ovat nyt rakentaneet puolijohdekomponentin, jossa informaatiota voidaan vaihtaa tehokkaasti elektronin spinin ja valon välillä huonelämpötilassa.

Spintroniikan menestyksekäs kehitys viime vuosikymmeninä on perustunut metallien käyttöön. Puolijohteisiin perustuvan spintroniikan käytöllä olisi kuitenkin useita etuja.

"Yksi tärkeä puolijohteisiin perustuvan spintroniikan etu on mahdollisuus muuntaa spin-tilan edustama informaatio ja siirtää se valoon ja päinvastoin. Teknologia tunnetaan nimellä opto-spintroniikka. Se mahdollistaisi spinpohjaisen informaation käsittelyn ja tallennuksen integroinnin valon kautta tapahtuvaan tiedonsiirtoon”, sanoo projektin johtaja ja Linköpingin yliopiston professori Weimin Chen.

Vakava ongelma puolijohteisen spintroniikan kehityksessä on ollut, että elektronit pyrkivät vaihtamaan ja satunnaistamaan spininsä suuntaa lämpötilan noustessa.

Puolijohdepohjaisen spintroniikan kehittämisen välttämätön edellytys on, että kaikki elektronit voidaan suunnata samaan spinien tilaan ja ylläpitää niitä huoneenlämmössä ja korkeammissa lämpötiloissa. Aikaisemmissa tutkimuksissa on saavutettu korkein, noin 60 prosenttinen elektronien spinpolarisaatio huonelämpötilassa, ei riitä laajamittaisiin käytännön sovelluksiin.

Linköpingin, Tampereen ja Hokkaidon yliopiston tutkijat ovat nyt saavuttaneet yli 90 prosenttisen spinpolarisaation huoneenlämmössä ja se pysyy korkealla tasolla jopa 110 Celsius-asteessa.

Tämä teknologinen edistysaskel perustuu optospintroniseen, puolijohdemateriaalien kerroksista rakentuvaa nanorakenteeseen, joka sisältää kvanttipisteitä. Kun spinpolarisoitu elektroni törmää kvanttipisteeseen, se emittoi valoa yhden fotonin verran, jonka tila (kulmamomentti) on elektronin spinin määrittämä.

Kvanttipisteillä katsotaan siten olevan suuri potentiaali rajapintana tiedonsiirtoon elektronin spinin ja valon välillä, kuten spintroniikassa, fotoniikassa ja kvanttilaskennassa tarvitaan.

Kvanttipisteet on valmistettu indiumarsenidistä (InAs) ja kerros galliumtyppiarsenidia (GaNAs) toimii spin suodattimena. Niiden väliin on asetettu kerros galliumarsenidia (GaAs). Vastaavia rakenteita käytetään jo optoelektronisessa tekniikassa ja tutkijat uskovat, että tämä voi helpottaa spintroniikan integrointia olemassa oleviin elektronisiin ja fotonisiin komponentteihin.

Odotamme innolla tämän työn jatkamista ja fotoniikan ja spintroniikan yhdistämistä käyttämällä yhteistä alustaa valo- ja spinperustaiseen kvanttitekniikkaan”, sanoo Tampereen yliopiston tutkimusryhmän johtaja professori Mircea Guina.

Aiheesta aiemmin:

Sähköistä spinin ohjausta

Yhdistelmä spintroniikkaa ja nanofotoniikkaa