Natuurkundigen hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die elektrische spanningen gebruikt om de elektronenspin op een chip te regelen. De nieuw ontwikkelde methode biedt bescherming tegen spinverval, wat betekent dat de opgeslagen informatie over relatief grote afstanden kan worden bewaard en verzonden, zoals is aangetoond door een team van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .

Voor meerdere jaren, onderzoekers hebben geprobeerd de spin van een elektron te gebruiken om informatie op te slaan en te verzenden. De spin van elk elektron is altijd gekoppeld aan zijn beweging, d.w.z. zijn baan binnen de chip. Deze spin-baankoppeling maakt gerichte manipulatie van de elektronenspin door een extern elektrisch veld mogelijk, maar het zorgt er ook voor dat de oriëntatie van de spin vervalt, wat leidt tot informatieverlies.

In een internationale samenwerking met collega's uit de VS en Brazilië, wetenschappers van het Departement Natuurkunde van de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute, onder leiding van professor Dominik Zumbühl, hebben een nieuwe methode ontwikkeld die gerichte spinmanipulatie mogelijk maakt zonder het bijbehorende verval.

Spins over lange afstanden beheersen

De wetenschappers hebben een chip ontwikkeld waarop een elektron gelijkmatig in zijn baan door het materiaal roteert zonder verval van de spin. De oriëntatie van de spin volgt een spiraalpatroon dat lijkt op een helix. Als de door twee poortelektroden aangelegde spanningen veranderen, het beïnvloedt de golflengte van de helix; de oriëntatie van de spin kan dus worden beïnvloed door een spanningsverandering.

De velden Rashba en Dresselhaus bepalen voornamelijk de spiraalvormige beweging van de spin. In het hierboven beschreven experiment is de velden Dresselhaus en Rashba op hetzelfde niveau kunnen worden gehouden, terwijl de algehele sterkte van de twee velden tegelijkertijd kan worden gecontroleerd:op deze manier het verval van de spin kan worden onderdrukt.

Hierdoor kunnen de onderzoekers spanningen gebruiken om de oriëntatie van de spin aan te passen over afstanden groter dan 20 micrometer, dat is een bijzonder grote afstand op een chip en komt overeen met veel spinrotaties. Spin-informatie kan dus b.v. tussen verschillende kwantumbits.

Aanpassen van de velden met elektrische spanningen

Deze methode is alleen mogelijk omdat zoals dit werk voor het eerst experimenteel liet zien, zowel het Rashba-veld als het Dresselhaus-veld kunnen met elektrische spanningen worden afgesteld. Hoewel dit meer dan 20 jaar geleden werd voorspeld in een theoretische studie, het is nu pas mogelijk geweest om het aan te tonen dankzij een nieuw ontwikkelde meetmethode op basis van kwantuminterferentie-effecten bij lage temperaturen nabij het absolute nulpunt. Het is verwacht, echter, dat de helix ook bij hogere temperaturen en zelfs bij kamertemperatuur met spanningen kan worden aangestuurd.

Basis voor verdere ontwikkelingen

"Met deze methode we kunnen niet alleen de spinoriëntatie in situ beïnvloeden, maar ook de overdracht van elektronenspins over langere afstanden regelen zonder verliezen, ", zegt Zumbühl. De uitstekende samenwerking met collega's van de Universiteit van São Paulo, de Universiteit van Californië en de Universiteit van Chicago vormen de basis voor een geheel nieuwe generatie apparaten die voortbouwen op spin-gebaseerde elektronica en vooruitzichten scheppen voor verder experimenteel werk.