De elektronica is sinds de jaren zestig vooruitgegaan door voortdurende verbeteringen in de microprocessortechnologie. Echter, dit proces van verfijning zal naar verwachting in de nabije toekomst tot stilstand komen als gevolg van beperkingen opgelegd door de wetten van de fysica. Sommige van deze knelpunten zijn al ingetreden. Bijvoorbeeld, de kloksnelheden van processors zijn niet hoger dan een paar gigahertz, of meerdere bewerkingen per nanoseconde, de afgelopen 20 jaar, een beperking die voortvloeit uit de elektrische weerstand van silicium. Dit heeft geleid tot een steeds urgentere wereldwijde zoektocht naar superieure alternatieven voor halfgeleiderelektronica.

Een van de belangrijkste kandidaten, spintronica, is gebaseerd op het idee om informatie te dragen via de spin van elektronen. Het gebruik van spinstromen om informatie over te brengen is een opwindend vooruitzicht omdat het een lager energieverbruik met zich meebrengt dan gewone elektrische stromen. Er zijn, echter, talrijke praktische moeilijkheden moeten worden overwonnen. Een van de ernstigste is het spin-injectieprobleem, het overbrengen van een spinstroom van het ene materiaal naar het andere (bijv. van een magnetisch metaal tot een halfgeleider). Dit heeft de neiging om de spins door elkaar te gooien, vernietigen van de informatie die ze bij zich dragen.

Nutsvoorzieningen, een doorbraak in de snelheid en efficiëntie van spintronica is bereikt door een team van wetenschappers van de Nanyang Technological University (NTU), de Nationale Universiteit van Singapore (NUS), en het Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek (A*STAR) in Singapore, evenals Los Alamos National Lab in de VS. Ze hebben aangetoond dat een ultrakorte puls van spinstroom, duurt minder dan een picoseconde (een biljoenste van een seconde), kan met verbazingwekkende efficiëntie van een metaal in een halfgeleider worden geïnjecteerd, het vorige spin-injectierecord met meer dan 10000 keer breken. Deze bevindingen zijn beschreven in een paar artikelen die onlangs zijn gepubliceerd in de toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften Natuurfysica en Geavanceerde materialen .

Bij deze experimenten ultrakorte spinstroompulsen worden geproduceerd door een laserpuls op kobalt te schijnen, een magnetisch metaal. Dit genereert een zwerm aangeslagen elektronen met spinpolarisatie, wat betekent dat de spins meestal in dezelfde richting wijzen. De spin-dragende elektronen reizen dan naar buiten, diffunderen naar andere aangrenzende materialen.

"We wilden laten zien dat deze ultrakorte spinstroompulsen kunnen worden gebruikt voor efficiënte spin-injectie, " zegt Marco Battiato, een Nanyang-assistent-professor aan de NTU en een lid van het onderzoeksteam, die in 2016 de eerste theoretische voorspelling van dit fenomeen had gedaan. Hij merkt op dat de uitwaartse diffusie van spinstroompulsen plaatsvindt over enkele honderden femtoseconden (een femtoseconde is een duizendste van een picoseconde). Dit is tot 1000 keer sneller dan conventionele elektronische apparaten, waardoor het potentieel nuttig is voor toekomstige snelle spintronic-apparaten.

De extreme snelheid van de spindiffusie, hoewel spannend, maakt het fenomeen ook moeilijk te bestuderen in experimenten met hedendaagse elektronische technologieën. "We moesten een zorgvuldige strategie bedenken om de spinstromen te meten die in het halfgeleidende deel van het apparaat stromen, " zegt universitair hoofddocent Elbert Chia, die het experimentele deel van het project bij NTU begeleidde. "Om dit te bereiken, we gebruikten een halfgeleider die zware elementen bevat, die spinstromen omzet in ultrakorte elektrische stromen. Het hele monster wordt dan een elektromagnetische antenne, straling uitzenden op terahertz-frequenties (tussen microgolven en infrarood licht). Deze straling kunnen we meten, werk dan achteruit om de oorspronkelijke spinstroom te achterhalen."

Door de materialen in hun spintronic-apparaat zorgvuldig te selecteren, het team kon overtuigend aantonen dat er een spin-gepolariseerde stroom in de halfgeleider werd geïnjecteerd. Verbazingwekkend, de sterkte van deze spinstroom bleek meer dan 10 te zijn, 000 keer groter dan het vorige record. "In echte apparaten, zulke sterke spinstromen zijn niet nodig, dus men kan wegkomen met aanzienlijk zwakkere excitaties, " merkt universitair hoofddocent Chia op. In vervolgexperimenten, de auteurs hebben kunnen bepalen hoe lang het duurde voordat de spinstroom zich vormde en afnam.

"Misschien het meest opvallende aspect is dat dit alles werd aangetoond met behulp van een eenvoudige metaal-halfgeleiderinterface, zonder de ingewikkelde en kostbare constructietechniek die men in andere spintronische experimenten ziet, " zegt Nanyang assistent-professor Justin Song, een theoretisch fysicus en National Research Foundation Fellow (NRFF), die ook deel uitmaakte van het project. De monsters zijn vervaardigd door de onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Hyunsoo Yang in NUS.

"Deze resultaten vertegenwoordigen een fundamentele stap in de ontwikkeling van ultrasnelle spintronica op basis van superdiffusie van spinstroom, " zegt Nanyang Assistant Professor Battiato. In de toekomst, het team voorziet dat dit efficiënte spin-injectieproces een van de belangrijkste technologieën wordt achter snelle spintronic-computers.