Conventionele elektronica is afhankelijk van het regelen van de elektrische lading. Onlangs, onderzoekers hebben het potentieel voor een nieuwe technologie onderzocht, genaamd spintronica, die afhankelijk is van het detecteren en regelen van de spin van een deeltje. Deze technologie kan leiden tot nieuwe soorten efficiëntere en krachtigere apparaten.

In een paper gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , onderzoekers hebben gemeten hoe sterk de spin van een ladingsdrager interageert met een magnetisch veld in diamant. Deze cruciale eigenschap toont aan dat diamant een veelbelovend materiaal is voor spintronische apparaten.

Diamant is aantrekkelijk omdat het gemakkelijker te verwerken en te fabriceren is tot spintronische apparaten dan typische halfgeleidermaterialen, zei Golrokh Akhgar, een natuurkundige aan de La Trobe University in Australië. Conventionele kwantumapparaten zijn gebaseerd op meerdere dunne lagen halfgeleiders, die een uitgebreid fabricageproces vereisen in een ultrahoog vacuüm.

"Diamond is normaal gesproken een extreem goede isolator, " zei Akhgar. Maar, bij blootstelling aan waterstofplasma, de diamant neemt waterstofatomen op in het oppervlak. Wanneer een gehydrogeneerde diamant in vochtige lucht wordt gebracht, het wordt elektrisch geleidend omdat zich op het oppervlak een dunne laag water vormt, elektronen uit de diamant trekken. De ontbrekende elektronen aan het diamantoppervlak gedragen zich als positief geladen deeltjes, gaten genoemd, waardoor het oppervlak geleidend wordt.

Onderzoekers ontdekten dat deze gaten veel van de juiste eigenschappen hebben voor spintronica. De belangrijkste eigenschap is een relativistisch effect dat spin-baankoppeling wordt genoemd, waar de spin van een ladingsdrager interageert met zijn orbitale beweging. Een sterke koppeling stelt onderzoekers in staat om de spin van het deeltje te sturen met een elektrisch veld.

In eerder werk, de onderzoekers maten hoe sterk de spin-baankoppeling van een gat kon worden ontworpen met een elektrisch veld. Ze toonden ook aan dat een extern elektrisch veld de sterkte van de koppeling kon afstemmen.

Bij recente experimenten is de onderzoekers maten hoe sterk de spin van een gat interageert met een magnetisch veld. Voor deze meting is de onderzoekers pasten constante magnetische velden van verschillende sterktes toe evenwijdig aan het diamantoppervlak bij temperaturen onder 4 Kelvin. Tegelijkertijd pasten ze ook een gestaag variërend loodrecht veld toe. Door te volgen hoe de elektrische weerstand van de diamant veranderde, zij bepaalden de g-factor. Deze hoeveelheid kan onderzoekers helpen de spin in toekomstige apparaten te beheersen met behulp van een magnetisch veld.

"De koppelingssterkte van dragerspins aan elektrische en magnetische velden vormt de kern van spintronica, "Akhgar zei. "We hebben nu de twee cruciale parameters voor de manipulatie van spins in de geleidende oppervlaktelaag van diamant door elektrische of magnetische velden."

Aanvullend, diamant is transparant, zodat het kan worden opgenomen in optische apparaten die werken met zichtbaar of ultraviolet licht. Stikstof-vacature-diamanten - die stikstofatomen bevatten gecombineerd met ontbrekende koolstofatomen in de kristalstructuur - zijn veelbelovend als een kwantumbit, of qubit, de basis voor kwantuminformatietechnologie. Spin kunnen manipuleren en gebruiken als een qubit zou kunnen leiden tot nog meer apparaten met onbenut potentieel, zei Akhgar.