Informatietechnologieën van de toekomst zullen waarschijnlijk elektronenspin gebruiken - in plaats van elektronenlading - om informatie te vervoeren. Maar eerst, wetenschappers moeten beter begrijpen hoe ze spin kunnen beheersen en leren om het spin-equivalent van elektronische componenten te bouwen, van spintransistors, om poorten en circuits te laten draaien.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van de Universiteit van Harvard hebben een techniek ontwikkeld om spinspanning te controleren en te meten. bekend als spin chemisch potentieel. De techniek, die atomaire defecten in diamanten gebruikt om het chemische potentieel te meten, is in wezen een spin-multimeter op nanoschaal die metingen mogelijk maakt in apparaten op chipschaal.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

"Er is een groeiende interesse in isolatiematerialen die spin kunnen geleiden, " zei Amir Yacoby, Hoogleraar natuurkunde bij de afdeling natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences en senior auteur van het artikel. "Ons werk ontwikkelt een nieuwe manier om naar deze spins te kijken in materialen zoals magneten."

Bij het geleiden van materialen, elektronen kunnen informatie vervoeren door van punt A naar punt B te gaan. Dit is een elektrische stroom. draaien, anderzijds, kan zich in golven voortplanten door isolerende materialen - elk elektron staat stil en communiceert spin met zijn gekoppelde buur, als een kwantumspel van de telefoon.

Om deze golven van punt A naar punt B te drijven, de onderzoekers moesten een techniek ontwikkelen om het chemische spinpotentieel - spinspanning - op lokaal niveau te vergroten.

"Als je een hoog chemisch potentieel hebt op locatie A en een laag chemisch potentieel op locatie B, spingolven beginnen te diffunderen van A naar B, " zei Chunhui Du, een postdoctoraal fellow bij de afdeling Natuurkunde en co-eerste auteur van het papier. "Dit is een heel belangrijk concept in spintronica, want als je het spingolftransport kunt beheersen, dan kun je deze spingolven in plaats van elektrische stroom gebruiken als informatiedragers."

De onderzoekers gebruikten twee spin-wave injectiemethoden:in de eerste, ze pasten snel oscillerend toe, magnetische velden van microgolven om spingolven op te wekken. In de seconde, ze zetten een elektrische stroom om in spingolven met behulp van een platina-metalen strip aan het ene uiteinde van de magneet.

"Opmerkelijk is dat dit materiaal een isolator is; het geleidt geen stroom en toch kun je er informatie in de vorm van spingolven doorheen sturen, zei Toeno Van der Sar, een postdoctoraal fellow bij de afdeling Natuurkunde en co-eerste auteur van het papier. "Spingolven zijn zo veelbelovend omdat ze lang kunnen reizen zonder te vergaan, en er wordt nauwelijks warmte geproduceerd omdat je geen bewegende elektronen hebt."

Toen het team spingolven in het materiaal injecteerde, de volgende stap was om erachter te komen hoe je informatie over die golven kunt meten. De onderzoekers wendden zich tot stikstof-vacature (NV) defecten in diamanten. Deze defecten - waarbij één koolstofatoom in een diamant wordt vervangen door een stikstofatoom en een naburig atoom wordt verwijderd - kunnen worden gebruikt om minuscule magnetische velden te detecteren.

De onderzoekers maakten kleine staafjes van diamant die NV-centra bevatten en plaatsten ze nanometers boven het monster. Terwijl de spingolven door het materiaal bewegen, ze genereren een magnetisch veld, die wordt opgehaald door het NV-centrum.

Op basis van NV-centrum metingen, onderzoekers kunnen nu het spin-chemisch potentieel achterhalen, het aantal spingolven, hoe ze door de stof gaan en andere belangrijke inzichten.

"Het leuke van deze techniek is dat het heel lokaal is, " zei Van der Sar. "Je kunt deze metingen slechts een paar nanometer boven het monster doen, wat betekent dat je de chemische potentiaal ruimtelijk kunt bestuderen in een spin-golfapparaat op chipschaal, voor, laten we zeggen, een spin-wave computer. Dit is niet mogelijk met sommige van de andere state-of-the-art technieken."

Dit systeem kan ook een kijkje bieden in meer exotische fysica, zoals het spin-wave Hall-effect, of laat zien dat spingolftransport hydrodynamisch is.

"Het principe dat we gebruiken om het spin-chemische potentieel te controleren en te meten is vrij algemeen. Het opent manieren om meer exotische spin-fenomenen in nieuwe materialen te bestuderen en helpt bij de ontwikkeling van nieuwe spintronische apparaten, " zei Du.