Med målet att använda elektronens spinn för att lagra, transportera och bearbeta information har forskare från IBM och vid universitetet ETH i Zürich visat den allra första, direkta kartläggningen av bildandet av ett ihållande ”spin helix” i en halvledare.

Figuren visar den uppmätta rumsliga och tidsmässiga spridningen av en ”spin helix”.
Credit: IBM Research, Zürich

Fram tills nu har det varit oklart om elektronens spinn hade förmågan att bevara den kodade informationen tillräckligt länge innan rotation. I en artikel i tidskriften Nature Physics avslöjar forskare från IBM Research och Solid State Physics Laboratory vid ETH Zürich att synkronisering av elektroner förlänger spinnets livslängd hos elektronen med 30 gånger till 1,1 nanosekunder, samma tid som det tar för en befintlig 1 GHz-processor att genomgå en cykel.

Dagens datorteknik kodar och bearbetar data genom elektroners elektriska laddning. Emellertid är denna teknik begränsad eftersom de halvledande dimensionerna fortsätter att krympa till den punkt där flödet av elektroner inte längre kan styras. Spinntronik kan komma förbi detta dödläge som närmar sig genom att utnyttja elektronens spinn i stället för dess laddning.

Den här nya förståelsen inom spinntronik ger inte bara vetenskapsmän oöverträffad kontroll över de magnetiska förflyttningarna inom en enhet utan öppnar också nya möjligheter för att skapa mer energieffektiv elektronik.

Forskarna observerade en tidigare okänd aspekt av fysiken om hur elektronspinnet rör sig tiotals mikrometer i en halvledare med sina orienteringar synkront roterande på vägen. Något som forskarna liknar vid ett par som dansar vals, närmare bestämt den berömda Wien ballroom dance där paren roterar.

– Om alla par börjar med kvinnorna mot norr kommer efter ett tag de roterande paren vara orienterade i olika riktningar Vi kan nu låsa rotationshastigheten på dansarna i den riktning som de rör sig. Detta resulterar i en perfekt koreografi där alla kvinnor i ett visst område är vända i samma riktning. Denna kontroll och förmågan att manipulera och observera spinn är ett viktigt steg i utvecklingen av spinnbaserade transistorer som är elektriskt programmerbara, förklarar Dr Gian Salis Physics of Nanoscale Systems research group vid IBM Research – Zurich.

IBM:s forskare använde ultrakorta laserpulser för att övervaka utvecklingen av tusentals elektronspinn som skapades samtidigt på en mycket liten plats. Atypiskt – där sådana spinn slumpmässigt skulle rotera och snabbt förlorar sin orientering – kunde forskarna för första gången nu observera hur dessa spinn prydligt arrangerade sig i ett vanligt randliknande mönster: Det så kallade ”persistent spin helix”.

Konceptet att låsa spinnrotationen föreslogs i teorin ursprungligen redan 2003 och sedan dess har en del försök även funnit indikationer på en sådan låsning, men hittills aldrig direkt observerats.

IBM:s forskare avbildade denna synkrona "vals" av elektronspinn med hjälp av en tidsupplöst svepmikroskopteknik. Synkroniseringen av elektronens spinnrotation gjorde det möjligt att observera spinn som förflyttade sig mer än 10 mikrometer eller en hundradels millimeter, vilket ökar möjligheten att använda spinn för att genomföra logiska operationer, både snabbt och energieffektivt.

Anledningen till den synkrona spinnrörelsen är en omsorgsfullt konstruerad spinnbane-interaktion (spin-orbit interaction, SOI), en fysisk mekanism som kopplar spinn med elektronens rörelse. Som halvledarmaterial användes galliumarsenid (GaAs) som producerades av forskare vid ETH Zürich, vilka är kända som experter i att växa ultrarena och atomärt exakta halvledarstrukturer. GaAs är en III/V-halvledare som ofta används vid tillverkning av integrerade kretsar, infraröda lysdioder och högeffektiva solceller med mera.

Att överföra spinnelektronik från laboratoriet till marknaden är fortfarande en stor utmaning. Forskningen inom spinntronik sker vid mycket låga temperaturer där elektronens spinn interagerar minimalt med miljön. I det här speciella fallet använde forskarna vid IBM en temperatur på 40 Kelvin (-233° C, -387° F), enligt ett pressmeddelande.

Se vidare "Direct mapping of the formation of a persistent spin helix " av M.P. Walser, C. Reichl, W. Wegscheider och G. Salis publicerad online i tidskriften Nature Physics, DOI 10.1038/NPHYS2383 (12 augusti 2012).

Filed under: Utländsk Teknik