Onderzoekers hebben een nieuwe proeftuin gecreëerd voor kwantumsystemen waarin ze bepaalde deeltjesinteracties letterlijk aan en uit kunnen zetten, mogelijk de weg vrijmaakt voor vooruitgang in spintronica.

Spintransportelektronica heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in elektronische apparaten zoals we die kennen, vooral als het om computers gaat. Terwijl standaardelektronica de lading van een elektron gebruikt om informatie te coderen, spintronische apparaten vertrouwen op een andere intrinsieke eigenschap van het elektron:zijn spin.

Spintronica zou sneller en betrouwbaarder kunnen zijn dan conventionele elektronica, omdat spin snel kan worden gewijzigd en deze apparaten minder stroom verbruiken. Echter, het veld is jong en er zijn veel vragen die onderzoekers moeten oplossen om hun controle over spin-informatie te verbeteren. Een van de meest complexe vragen die het veld teistert, is hoe het signaal gedragen door deeltjes met spin, bekend als spinstroom, vervalt in de loop van de tijd.

"Het signaal dat we nodig hebben om spintronica te laten werken, en om deze dingen te bestuderen, kan rotten. Net zoals we een goede gsm-service willen om te bellen, we willen dat dit signaal sterk is, " zei Chuan-Hsun Li, een afgestudeerde student in elektrische en computertechniek aan de Purdue University. "Als de spinstroom vervalt, we verliezen het signaal." In de echte wereld, elektronen bestaan ​​niet onafhankelijk van alles om hen heen en gedragen zich precies zoals we verwachten. Ze interageren met andere deeltjes en tussen verschillende eigenschappen in zichzelf. De interactie tussen de spin van een deeltje (een intrinsieke eigenschap) en het momentum (een extrinsieke eigenschap) staat bekend als spin-baankoppeling.

Volgens een nieuwe krant in Natuurcommunicatie , spin-baankoppeling en interacties met andere deeltjes kunnen het verval van spinstroom in een kwantumvloeistof genaamd Bose-Einstein-condensaat (BEC) dramatisch versterken.

"Mensen willen spinvorming manipuleren, zodat we het kunnen gebruiken om informatie te coderen, en een manier om dit te doen is door gebruik te maken van fysieke mechanismen zoals spin-baankoppeling, " zei Li. "Echter, dit kan tot enkele nadelen leiden, zoals het verlies van spin-informatie."

Het experiment werd gedaan in het laboratorium van Yong Chen, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, en elektrotechniek en computertechniek bij Purdue, waar zijn team zoiets als een mini-deeltjesversneller voor BEC's creëerde. Met behulp van lasers, Rubidium-87-atomen in een vacuümkamer werden gevangen en gekoeld tot bijna het absolute nulpunt. (Natuurkundige junkies herinneren zich misschien dat laserkoelingstechnologieën in 1997 de Nobelprijs voor natuurkunde wonnen. Lasertrapping won de prijs in 2018.)

Op dit punt, de atomen worden een BEC:de koudste en meest mysterieuze van de vijf toestanden van materie. Naarmate atomen kouder worden, ze beginnen golfachtige eigenschappen te vertonen. In deze kwantumtoestand, ze hebben een identiteitscrisis; ze overlappen elkaar en gedragen zich niet meer als individuen. Hoewel BEC technisch gezien geen gas is, dit is misschien de gemakkelijkste manier om het voor te stellen - natuurkundigen noemen het terloops kwantumvloeistof of kwantumgas.

In de mini-kwantumvloeistofversneller, Chen's team stuurde twee BEC's met tegengestelde spins die tegen elkaar aan botsten. Zoals twee gaswolken zouden doen, ze dringen gedeeltelijk door elkaar heen, een spinstroom leveren.

"Er doen zich veel fascinerende verschijnselen voor wanneer je twee condensaten botst. Oorspronkelijk ze zijn supervloeibaar, maar als ze botsen, een deel van de wrijving kan ze in thermisch gas veranderen, "Zei Chen. "Omdat we elke parameter kunnen controleren, dit is een heel efficiënt systeem om dit soort botsingen te bestuderen."

Met behulp van dit systeem, onderzoekers kunnen spin-baankoppeling letterlijk in- en uitschakelen, waardoor ze het effect op het verval van de spinstroom kunnen isoleren. Dit kan niet met elektronen in vastestofmaterialen, dat deel uitmaakt van wat dit systeem zo krachtig maakt, zei Chen.

Zogenaamd kwantumgas is het schoonste systeem dat de mens kan maken. Er is geen wanorde, wat het mogelijk maakt om een ​​zuivere spinstroom te creëren en de eigenschappen ervan te bestuderen. Chen hoopt deze experimentele proeftuin en hun bosonische spinstroom te blijven gebruiken om veel fundamentele vragen in spintransport en kwantumdynamica verder te onderzoeken.

"Een belangrijke uitdaging voor spintronica en andere gerelateerde kwantumtechnologieën is het verminderen van verval, zodat we spin-informatie over langere afstanden kunnen verspreiden, voor langere tijd, " zei hij. "Met deze nieuwe kennis van de rol van spin-baankoppeling, dit kan mensen helpen nieuwe inzichten te verwerven om spin-verval te verminderen en mogelijk ook betere spintronische apparaten te ontwerpen."