Επιστήμονες προτείνουν μια νέα μέθοδο δημιουργίας ισχυρότατων ρευμάτων σπιν

Στα τσιπάκια των σημερινών υπολογιστών, η πληροφορία μεταφέρεται με τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου. Ηλεκτρόνια ή άλλοι φορείς φορτίου μετακινούνται από ένα μέρος σε ένα άλλο. Για χρόνια οι επιστήμονες εργάζονται πάνω σε στοιχεία που εκμεταλλεύονται την στροφορμή (το σπιν) των ηλεκτρονίων κατά προτίμηση, παρά το ηλεκτρικό τους φορτίο. Αυτή η νέα προσέγγιση, που ονομάζεται «σπιντρονικά» [spintronics] (κατά αναλογία με το «ηλεκτρονικά»), έχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τα κοινά ηλεκτρονικά. Η λειτουργία μπορεί να γίνεται με πάρα πολύ λιγότερη ενέργεια.

Ωστόσο υπάρχει ένα πρόβλημα: είναι πολύ δύσκολο να δημιουργηθούν τέτοια ρεύματα σπιν, που απαιτούνται στα σπιντρονικά [spintronics]. Το καινούριο στοιχείο στην υπόθεση είναι ότι φυσικοί από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Βιέννης (TU Wien) έχουν προτείνει, με εργασία τους στο Physical Review Letters, μια νέα μέθοδο για να παράγονται γιγάντια ρεύματα σπιν σε πολύ μικρή χρονική περίοδο. Το μυστικό είναι η χρήση πάρα πολύ σύντομων παλμών λέιζερ.

Μαγνήτες και Ημιαγωγοί

Για κάθε ηλεκτρόνιο είναι δυνατές δυο διαφορετικές καταστάσεις σπιν. Ονομάζονται «άνω σπιν» και «κάτω σπιν». Το σπιν του ηλεκτρονίου είναι υπεύθυνο για τον σιδηρομαγνητισμό [όταν πολλά σπιν ηλεκτρονίων στο μέταλλο ευθυγραμμίζονται, μπορούν συλλογικά να δημιουργήσουν ένα μαγνητικό πεδίο]. Έτσι, η χρήση σιδηρομαγνητών για να δημιουργηθεί ροή σπιν μοιάζει μια ξεκάθαρη ιδέα. «Έχουμε προσπαθήσει να στείλουμε ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από ένα συνδυασμό μαγνητών και ημιαγωγών», λέει ο Marco Battiato από το TU Wien. «Η ιδέα είναι να δημιουργηθεί μια ροή ηλεκτρονίων με ομοιόμορφο σπιν, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σπιντρονικά κυκλώματα. Αλλά η αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου είναι πολύ περιορισμένη».

Οι Marco Battiato και Karsten Held βρήκαν έναν άλλο τρόπο. Σε προσομοιώσεις σε υπολογιστές, ανάλυσαν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε ένα λεπτό στρώμα νικελίου που είναι συνδεδεμένο σε πυρίτιο και δέχεται «χτυπήματα» με πάρα πολύ βραχείς παλμούς λέιζερ. «Ένας τέτοιος παλμός λέιζερ έχει μια συντριπτική επίδραση στα ηλεκτρόνια στο νικέλιο», είπε ο Karsten Held. Παρασύρονται και επιταχύνονται προς το πυρίτιο. Ένα ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται στη διεπαφή μεταξύ νικελίου και πυριτίου, που σταματά το ρεύμα. Τα ηλεκτρόνια, ακόμη συνεχίζουν τη μετάβαση μεταξύ του στρώματος νικελίου και του πυριτίου, αλλά η κίνηση και στις δυο κατευθύνσεις ακυρώνει η μια την άλλη και έτσι δεν μεταφέρεται καθαρό φορτίο.

Άνω σπιν και κάτω σπιν

Αλλά ακόμη και όταν δεν μεταφέρεται ηλεκτρικό φορτίο, είναι ακόμη δυνατό να μεταφέρεται σπιν. «Στο στρώμα νικελίου, υπάρχουν τόσο ηλεκτρόνια με επάνω σπιν όσο και ηλεκτρόνια με κάτω σπιν», λέει ο Held. «Αλλά τα άτομα του μετάλλου επηρεάζουν τα δυο είδη ηλεκτρονίων με διαφορετικούς τρόπους. Τα ηλεκτρόνια με άνω σπιν μπορούν να κινούνται μάλλον ελεύθερα. Τα ηλεκτρόνια με κάτω σπιν, ωστόσο, έχουν πολύ υψηλότερη πιθανότητα να σκεδαστούν στα άτομα του νικελίου». Όταν τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται αλλάζουν τις κατευθύνσεις τους και χάνουν ενέργεια. Έτσι, η πλειονότητα των ηλεκτρονίων προς τη διεπαφή νικελίου-πυριτίου είναι ηλεκτρόνια με άνω σπιν, αφού αυτά κινούνται ελεύθερα, ενώ τα άλλα σκεδάζονται.

Αυτή η επιλεκτική ως προς το είδος του σπιν διαδικασία, οδηγεί σε μια κυριαρχία των ηλεκτρονίων με άνω σπιν στο πυρίτιο και αυτό σημαίνει ότι ένα ρεύμα σπιν εκχέεται στο πυρίτιο χωρίς τη δημιουργία ρεύματος φορτίων. Παρατηρεί ο Marco Battiato: «Οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι αυτή η πόλωση του σπιν είναι ιδιαίτερα ισχυρή, πολύ ισχυρότερη από ότι θα μπορούσε να δημιουργηθεί με άλλες μεθόδους».

Μέχρι τώρα η μέθοδος ελέγχθηκε μόνο σε προσομοιώσεις υπολογιστή, αλλά οι Battiato και Held ήδη εργάζονται με πειραματιστές που θέλουν να μετρήσουν αυτή την πυροδοτούμενη από λέιζερ ροή σπιν. «Η σπιντρονική έχει τη δυνατότητα να γίνει μια βασική τεχνολογία τις λίγες επόμενες δεκαετίες», λέει ο Battiato. «Με τη μέθοδό μας υπάρχει πλέον ένας τρόπος να δημιουργηθούν υπερβολικά γρήγορα και εξαιρετικά ισχυρά ρεύματα σπιν».

Πηγή: Technische Universität Wien

Περισσότερα στην δημοσίευση: Ultrafast and Gigantic Spin Injection in Semiconductors, Phys. Rev. Lett. 116