En lys fremtid for Spintronics

Ønsket om at bygge mindre, hurtigere og billigere elektronik har fået en række forskere til at prøve at bruge en elektrons spin i transistorer. Disse spintroniske transistorer kunne være meget energieffektive og udføre mere beregning end traditionelle transistorer på et mindre rum. I optoelektroniske applikationer kan lasere og lysemitterende dioder, der drager fordel af elektronernes spin, desuden øge lysets databærende kapacitet.

Men en af ​​de vigtigste forhindringer i dette nye felt er, at de magnetiske og halvledermaterialer, der er nødvendige for at lave en spintronisk enhed, notorisk er inkompatible.

Nu har forskere ved Ohio University og Ohio State University udviklet et magnetisk halvledersystem, der baseret på indledende tests ser ud til at kunne være et fremskridt. Arthur Smith , professor i fysik ved Ohio University, og hans kolleger har med succes dyrket mangan gallium, et magnetisk metal, på galliumnitrid, en almindelig halvleder, der bruges til at lave blå lasere og LED'er og til at forstærke radiofrekvenssignaler.

Forskerne siger, at afstanden mellem atomerne i materialelagene er et næsten ideelt match, hvilket skaber en glat grænseflade mellem lagene og derved øger chancerne for at producere en brugbar spintronik-enhed. Uden en ren grænseflade, siger Smith, når elektroner bevæger sig over barrieren mellem metallet og halvlederen, kan de miste deres oprindelige spin og ødelægge enheden. Desuden bevarer deres nye system sine magnetiske egenskaber ved stuetemperatur, siger Smith. Mange potentielle spintroniske materialer fungerer kun godt ved ekstremt kolde temperaturer, selvom den seneste udvikling har produceret nogle rumtemperaturmaterialer (se A New Spin on Computing).

Selvom der er behov for yderligere test for at bekræfte, at elektroner vil bevare deres spin-egenskaber, mens de rejser fra metal til halvleder, siger Smith, at disse tidlige test er opmuntrende. Vi tror, ​​der er en god chance for, at det kommer til at fungere ret godt, siger han.

Elektroniske systemer, der bruger spin af en elektron - en kvantemekanisk egenskab, der findes i to varianter: op eller ned - ville fungere på samme måde som nutidens transistorer, men har flere fordele. I øjeblikket er elektrisk strøm alene ansvarlig for de logiske funktioner i kredsløb. Strøm, der løber gennem en transistor, repræsenterer et 1; fraværet af strøm, et 0. Hvis en elektrons spin kunne kontrolleres, kunne en spin-up-elektron repræsentere et 1, og spin ned et 0.

I modsætning til elektrisk strøm kan spin opretholdes, selvom strømmen er slukket, og et spintronisk kredsløb ville bruge mindre strøm, fordi en strøm ikke skal tilføres konstant. Det er grunden til, at virksomheder som Freescale Semiconductor udforsker spin-baseret solid-state hukommelse (se A Better Memory Chip).

En anden fordel er, at brug af spin yderligere kan øge informationslagrings- og transmissionskapaciteten for elektroner, hvilket effektivt får mikroprocessorer til at køre hurtigere.

Smith siger, at elektroniske applikationer måske ligger langt ude i fremtiden for hans system; i stedet er det måske bedst egnet til opto-elektroniske applikationer, såsom lasere og LED'er.

Specifikt forklarer han, at elektronernes spin i en halvlederlaser kan påvirke de fotoner, der udsendes fra disse enheder: en elektron med et bestemt spin kan skabe en foton med et tilsvarende spin, hvilket resulterer i polariseret lys. Polarisering - den generelle orientering af lysbølger - kunne udnyttes til at tilføje endnu et lag af data til lys, der bruges i telekommunikation. I øjeblikket er information kodet ved at justere lysets frekvens og fase; polarisationskodning kunne derfor øge kapaciteten af ​​optiske linjer.

Ohio-forskernes nye materialer har gode egenskaber, og derfor kunne systemet være en kandidat til optiske applikationer, siger Kannan Krishnan , professor i materialevidenskab ved University of Washington i Seattle. Selvom gruppen ikke har bygget egentlige enheder, siger han, at det er meget lovende.

Chris Palmstrom, professor i kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesota, siger, at værket er det første, der dyrker magnetisk materiale på galliumnitrid. Alligevel, siger han, skal forskerne bevise, at de kan gøre noget ved det.

At bevise, at systemet vil fungere i en faktisk enhed, er det næste skridt for forskerne. Smith siger, at de højst sandsynligt vil teste dets lysemitterende egenskaber for at bestemme, hvor godt spindet af elektronerne i det magnetiske materiale omsættes til polariseret lys.

skjule