Onderzoekers hebben laten zien hoe ze een oplaadbare "spin-batterij" kunnen maken, gemaakt van materialen die topologische isolatoren worden genoemd, een stap in de richting van het bouwen van nieuwe spintronische apparaten en kwantumcomputers.

In tegenstelling tot gewone materialen die ofwel isolatoren of geleiders zijn, topologische isolatoren zijn beide tegelijkertijd - ze zijn isolatoren van binnen, maar geleiden elektriciteit aan het oppervlak. De materialen kunnen worden gebruikt voor spintronische apparaten en kwantumcomputers die krachtiger zijn dan de huidige technologieën.

Men kan denken dat elektronen twee spintoestanden hebben:omhoog of omlaag, en een fenomeen dat bekend staat als superpositie zorgt ervoor dat elektronen zich tegelijkertijd in beide toestanden bevinden. Zo'n eigenschap kan worden gebruikt om berekeningen uit te voeren met behulp van de wetten van de kwantummechanica, waardoor computers bij bepaalde taken veel sneller zijn dan conventionele computers.

De geleidende elektronen op het oppervlak van topologische isolatoren hebben een belangrijke eigenschap die bekend staat als "spin momentum locking, " waarin de richting van de beweging van elektronen de richting van zijn spin bepaalt. Deze spin kan worden gebruikt om informatie te coderen of te dragen door de neerwaartse of opwaartse richtingen te gebruiken om 0 of 1 weer te geven voor op spin gebaseerde informatieverwerking en -verwerking, of spintronica.

"Vanwege de spin-impuls vergrendeling, je kunt de spin van elektronen in één richting laten uitlijnen of 'opsluiten' als je een stroom door het topologische isolatiemateriaal laat lopen, en dit is een heel interessant effect, " zei Yong P. Chen, een Purdue University hoogleraar natuurkunde en astronomie en elektrische en computertechniek en directeur van het Purdue Quantum Center.

Door een elektrische stroom op het materiaal aan te brengen, wordt een "spinpolarisatie" van het elektron geïnduceerd die voor spintronica zou kunnen worden gebruikt. Gewoonlijk, de stroom moet ingeschakeld blijven om deze polarisatie te behouden. Echter, in nieuwe bevindingen, Purdue-onderzoekers zijn de eersten die een langlevende elektronenspinpolarisatie induceren die twee dagen duurt, zelfs wanneer de stroom is uitgeschakeld. De elektronenspinpolarisatie wordt gedetecteerd door een magnetische spanningssonde, die fungeert als een spingevoelige voltmeter in een techniek die bekend staat als "spinpotentiometrie".

De nieuwe bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die op 14 april in het tijdschrift verschijnt wetenschappelijke vooruitgang . Het experiment werd geleid door postdoctoraal onderzoeksmedewerker Jifa Tian.

"Zo'n elektrisch gestuurde aanhoudende spinpolarisatie met een ongekend lange levensduur zou een oplaadbare spinbatterij en herschrijfbaar spingeheugen mogelijk kunnen maken voor mogelijke toepassingen in spintronica en kwantuminformatiesystemen, ' zei Tian.

Deze "schrijfstroom" kan worden vergeleken met het opnemen van de enen en nullen in het geheugen van een computer.

"Echter, een betere analoog is die van een batterij, " zei Chen. "De schrijfstroom is als een laadstroom. Het is langzaam, net als het opladen van je iPhone voor een uur of twee, en dan kan het enkele dagen stroom leveren. Dat is het vergelijkbare idee. We laden deze spin-batterij met deze schrijfstroom in een half uur of een uur op en dan blijven de spins twee dagen gepolariseerd, als een oplaadbare batterij."

De vondst was een verrassing.

"Dit was niet voorspeld en ook niet iets waar we naar op zoek waren toen we met het experiment begonnen, ' zei hij. 'Het was een toevallige ontdekking, dankzij Jifa's geduld en volharding, het uitvoeren en herhalen van de metingen vele malen, en het effectief opladen van de spinbatterij om een ​​meetbaar aanhoudend spinpolarisatiesignaal af te geven."

De onderzoekers weten niet wat het effect veroorzaakt. Echter, een theorie is dat de spin-gepolariseerde elektronen hun polarisatie zouden kunnen overbrengen naar de atoomkernen in het materiaal. Deze hypothese als mogelijke verklaring voor het experiment werd voorgesteld door Supriyo Datta, Purdue's Thomas Duncan Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering en de leider van het onlangs gelanceerde Purdue 'spintronics vooraanstaande teaminitiatief'.

"In een vergadering Professor Datta deed de kritische suggestie dat het aanhoudende spinsignaal dat Jifa waarnam, op een batterij leek, Chen zei. "Er waren eerder een paar analoge experimenten gedaan op een door kernspin aangedreven batterij, hoewel ze doorgaans veel meer uitdagende omstandigheden vereisten, zoals hoge magnetische velden. Onze waarneming tot nu toe is consistent met het effect dat ook voortkomt uit de kernspins, ook al hebben we geen direct bewijs."

Kernspin heeft gevolgen voor de ontwikkeling van kwantumgeheugen en kwantumcomputers.

"En nu hebben we een elektrische manier om dit te bereiken, wat betekent dat het potentieel nuttig is voor kwantumcircuits omdat je gewoon stroom kunt doorlaten en je nucleaire spin polariseert, " zei Chen. "Traditioneel is dat heel moeilijk te bereiken. Onze spin-batterij op basis van topologische isolatoren werkt zelfs bij nul magnetisch veld, en matig lage temperaturen zoals tientallen kelvin, wat heel ongebruikelijk is."

Seokmin Hong, een voormalige Purdue-doctoraatsstudent die bij Datta werkt en nu software-engineer is bij Intel Corp., zei, "Terwijl een gewone opgeladen batterij een spanning afgeeft die kan worden gebruikt om een ​​laadstroom aan te drijven, een 'spinbatterij' geeft een 'spinspanning' af, ' of meer precies een chemisch potentiaalverschil tussen de spin-up en spin-down elektronen, die kan worden gebruikt om een ​​niet-evenwicht spinstroom aan te drijven."

De onderzoekers gebruikten kleine vlokken van een materiaal dat bismuttelluriumselenide wordt genoemd. Het zit in dezelfde materiaalklasse als bismuttelluride, die achter solid-state koeltechnologieën zit, zoals commerciële thermo-elektrische koelkasten. Echter, in tegenstelling tot het commerciële materiaal dat een "gedoteerde" bulkhalfgeleider is, het materiaal dat in het experiment werd gebruikt, werd zorgvuldig geproduceerd om ultrahoge zuiverheid en weinig doping in de bulk te hebben, zodat de geleiding wordt gedomineerd door de spin-gepolariseerde elektronen op het oppervlak. Het werd gesynthetiseerd door onderzoekswetenschapper Ireneusz Miotkowski in het halfgeleider bulkkristallab dat wordt beheerd door Chen in Purdue's Department of Physics and Astronomy. De apparaten werden vervaardigd door Tian in het Birck Nanotechnology Center in Purdue's Discovery Park.

Het papier is geschreven door Tian; Hong; en Miotkowski, Datta, en Chen.

Toekomstig onderzoek zal onder meer onderzoeken wat het effect veroorzaakt door de kernspin direct te onderzoeken, en ook om te onderzoeken hoe deze spin-batterij kan worden gebruikt in mogelijke praktische toepassingen.