En ljus framtid för Spintronics

Önskan att bygga mindre, snabbare och billigare elektronik har fått ett antal forskare att försöka använda elektronens spinn i transistorer. Dessa spintroniska transistorer kan vara mycket energieffektiva och göra mer beräkningar än traditionella transistorer i ett mindre utrymme. Dessutom, i optoelektroniska applikationer kan lasrar och lysdioder som drar fördel av elektronernas spinn öka ljusets databärande kapacitet.

Men ett av de viktigaste hindren i detta framväxande område är att de magnetiska och halvledarmaterial som behövs för att tillverka en spintronisk enhet är notoriskt inkompatibla.

Nu har forskare vid Ohio University och Ohio State University utvecklat ett magnetiskt halvledarsystem som, baserat på inledande tester, ser ut att kunna vara ett framsteg. Arthur Smith , professor i fysik vid Ohio University, och hans kollegor har framgångsrikt odlat mangan gallium, en magnetisk metall, på galliumnitrid, en vanlig halvledare som används för att göra blå lasrar och lysdioder, och för att förstärka radiofrekvenssignaler.

Forskarna säger att avståndet mellan atomerna i materialskikten är en nästan idealisk matchning, vilket skapar ett jämnt gränssnitt mellan skikten och ökar därmed chanserna att producera en fungerande spintronikenhet. Utan ett rent gränssnitt, säger Smith, när elektroner färdas över barriären mellan metallen och halvledaren, kan de förlora sin ursprungliga spin, vilket förstör enheten. Dessutom behåller deras nya system sina magnetiska egenskaper vid rumstemperatur, säger Smith. Många potentiella spintroniska material fungerar bara bra vid extremt kalla temperaturer, även om den senaste utvecklingen har producerat vissa rumstemperaturmaterial (se A New Spin on Computing).

Även om ytterligare tester behövs för att bekräfta att elektroner kommer att bibehålla sina spinnegenskaper när de reser från metall till halvledare, säger Smith att dessa tidiga tester är uppmuntrande. Vi tror att det finns en god chans att det kommer att fungera ganska bra, säger han.

Elektroniska system som använder spinn av en elektron – en kvantmekanisk egenskap som finns i två varianter: uppåt eller nedåt – skulle fungera på samma sätt som dagens transistorer, men har flera fördelar. För närvarande är elektrisk ström ensam ansvarig för de logiska funktionerna i kretsar. Ström som flyter genom en transistor representerar en 1; frånvaron av ström, en 0. Om en elektrons spinn kunde kontrolleras, skulle en spin-up-elektron kunna representera en 1:a och snurra ner en 0.

Till skillnad från elektrisk ström kan spinn bibehållas även om strömmen är avstängd, och en spintronisk krets skulle använda mindre ström eftersom en ström inte skulle behöva appliceras konstant. Det är därför företag som Freescale Semiconductor utforskar spin-baserat solid-state-minne (se A Better Memory Chip ).

En andra fördel är att användning av spin kan ytterligare öka informationslagrings- och överföringskapaciteten för elektroner, vilket effektivt får mikroprocessorer att köra snabbare.

Smith säger att elektroniska ansökningar kan vara långt fram i tiden för hans system, dock; istället kan den vara bäst lämpad för opto-elektroniska applikationer, såsom lasrar och lysdioder.

Specifikt, förklarar han, kan spinn av elektroner i en halvledarlaser påverka fotonerna som emitteras från dessa enheter: en elektron med ett visst spinn kan skapa en foton med motsvarande spin, vilket resulterar i polariserat ljus. Polarisering – den allmänna orienteringen av ljusvågor – skulle kunna utnyttjas för att lägga till ytterligare ett lager av data till ljus som används inom telekommunikation. För närvarande kodas information genom att justera ljusets frekvens och fas; polarisationskodning skulle därför kunna öka kapaciteten hos optiska linjer.

Ohio-forskarnas nya material har goda egenskaper, och därför kan systemet vara en kandidat för optiska tillämpningar, säger Kannan Krishnan , professor i materialvetenskap vid University of Washington i Seattle. Även om gruppen inte har byggt verkliga enheter, säger han att det är mycket lovande.

Chris Palmstrom, professor i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota, säger att arbetet är det första som odlar magnetiskt material på galliumnitrid. Ändå, säger han, måste forskarna bevisa att de kan göra något med det.

Att bevisa att systemet fungerar i en verklig enhet är nästa steg för forskarna. Smith säger att de med största sannolikhet kommer att testa dess ljusemitterande egenskaper för att avgöra hur väl elektronernas spinn i det magnetiska materialet översätts till polariserat ljus.

Dölj