Het nemen van elektronen voor een spin door de nanoscopische straten van een digitaal apparaat - zonder uit de hand te lopen - heeft onderzoekers jarenlang uitgedaagd.

Maar het handhaven van die controle terwijl de subatomaire deeltjes naar processors racen, zou een altijd gewaardeerde trofee kunnen opleveren:goedkoper, snellere en veel energiezuinigere apparaten.

Evgeny Tsymbal en Lingling Tao hebben misschien net met de groene vlag gezwaaid - of op zijn minst de witte gedumpt. Natuurkundigen van de Universiteit van Nebraska-Lincoln hebben een materiaal geïdentificeerd waarvan de kristallijne structuur de spin van een elektron beter zou kunnen ondersteunen:een eigenschap die, gelijk aan opladen, kan stukjes informatie in digitale apparaten vertegenwoordigen.

Standaard CPU's lezen hoeveelheden elektrische lading af als 1s of 0s, met die lading die een poort opent of sluit die de elektronenstroom regelt. Op vrijwel dezelfde manier, spintronische apparaten kunnen de oriëntatie van de spin van een elektron lezen:omhoog versus omlaag. Apparaten die beide digitale talen kunnen spreken - opladen en draaien - staan ​​klaar om informatie te verwerken en op te slaan met snelheden die de apparaten die op de huidige markt beschikbaar zijn gemakkelijk overtreffen.

Toch kan de spinoriëntatie van een elektron veranderen in een kwantumgril, en vaak doet. Dat is een probleem voor elektrotechnici.

Een veelbelovende oplossing is het toepassen van spanning op de poort die de stroom van elektronen al dicteert. Spanning kan in wezen de spin van die elektronen "schrijven" als omhoog of omlaag terwijl ze stromen, maar onvermijdelijke onvolkomenheden in de nanoscopische structuur van een apparaat zullen ook hun momentum veranderen. En omdat momentum de spin beïnvloedt, een verschuiving in de snelheid of het traject van de elektronen kan hun beoogde spintoestanden veranderen voordat ze door een processor worden gelezen, mogelijk resulterend in gebrabbel.

"Het proces wordt in feite een willekeurig omdraaien van spin, " zei Tsymbal, George Holmes University hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "Als elektronen aankomen in het gebied waar ze moeten worden gedetecteerd, ze verliezen de informatie die is gecodeerd in hun spin-oriëntatie."

Voer een materiaal in dat bekend staat als bismut-indiumoxide. Op basis van berekeningen uitgevoerd door het Holland Computing Center van de universiteit, het kristallijne materiaal heeft een reeks atomaire symmetrieën die de spin van een elektron in een bepaalde richting lijken te pinnen die onafhankelijk is van zijn momentum. Als het waar is, ingenieurs zouden spanning kunnen gaan gebruiken om spin te dicteren zonder zich zorgen te maken over hoe defecten het momentum van een elektron beïnvloeden.

De atomaire symmetrieën van bismut-indiumoxide bestaan ​​waarschijnlijk in andere kristallijne materialen, Tsymbal zei, wat betekent dat materiaalwetenschappers waarschijnlijk andere kandidaten zullen ontdekken.

"Als een materiaal eenmaal deze specifieke kristalsymmetrie heeft, men kan beweren dat dit materiaal ook de spin-ondersteunende eigenschap zou moeten hebben, " zei Tsymbal, directeur van Nebraska's Materials Research Science and Engineering Center.

Spintronic-apparaten verbruiken al aanzienlijk minder energie dan standaard elektronica. Tsymbal zei dat het potentieel om spinoriëntatie te schrijven met behulp van spanning in plaats van elektrische stroom de apparaten nog efficiënter zou kunnen maken - mogelijk tot 1, 000 keer meer.

"Spintronics is ook energiegerelateerd onderzoek, omdat door energie te besparen in onze elektronische apparaten, we verminderen het stroomverbruik, "Zei Tsymbal. "Dit is een zeer belangrijke kwestie."

Tsymbal en Tao, een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde en sterrenkunde, rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .