Wetenschappers hebben een doorbraak bereikt in de ontwikkeling van een nieuwe generatie elektronica die minder stroom nodig heeft en minder warmte genereert.

Het gaat om het exploiteren van de complexe kwantumeigenschappen van elektronen - in dit geval de spintoestand van elektronen.

In een wereldprimeur, hebben de onderzoekers - onder leiding van een team van natuurkundigen van de Universiteit van Leeds - in het tijdschrift aangekondigd: wetenschappelijke vooruitgang dat ze een 'spincondensator' hebben gecreëerd die in staat is om de spintoestand van elektronen een aantal uren te genereren en vast te houden.

Eerdere pogingen hebben de spin-status slechts een fractie van een seconde vastgehouden.

Bij elektronica, een condensator houdt energie vast in de vorm van elektrische lading. Een spincondensator is een variatie op dat idee:in plaats van alleen lading vast te houden, het slaat ook de spintoestand van een groep elektronen op - in feite 'bevriest' het de spinpositie van elk van de elektronen.

Dat vermogen om de spin-status vast te leggen, opent de mogelijkheid dat nieuwe apparaten kunnen worden ontwikkeld die informatie zo efficiënt opslaan dat opslagapparaten erg klein kunnen worden. Een spincondensator van slechts één vierkante inch kan 100 terabyte aan gegevens opslaan.

Dr. Oscar Cespedes, Universitair hoofddocent aan de School of Physics and Astronomy die het onderzoek begeleidde, zei:"Dit is een kleine maar belangrijke doorbraak in wat een revolutie zou kunnen worden in elektronica die wordt aangedreven door de exploitatie van de principes van kwantumtechnologie.

"Momenteel, tot 70 procent van de energie die wordt gebruikt in een elektronisch apparaat zoals een computer of mobiele telefoon gaat verloren als warmte, en dat is de energie die afkomstig is van elektronen die door de circuits van het apparaat bewegen. Het resulteert in enorme inefficiënties en beperkt de mogelijkheden en duurzaamheid van de huidige technologieën. De ecologische voetafdruk van internet is al vergelijkbaar met die van vliegreizen en neemt jaar na jaar toe.

"Met kwantumeffecten die gebruik maken van lichte en milieuvriendelijke elementen, er kan geen warmteverlies zijn. Het betekent dat de prestaties van de huidige technologieën zich op een efficiëntere en duurzamere manier kunnen blijven ontwikkelen waarvoor veel minder stroom nodig is."

Dr. Matthew Rogers, een van de hoofdauteurs, ook uit Leiden, merkte op:"Ons onderzoek toont aan dat de apparaten van de toekomst misschien niet afhankelijk zijn van magnetische harde schijven. In plaats daarvan zullen ze spincondensatoren hebben die worden aangedreven door licht, waardoor ze erg snel zouden zijn, of door een elektrisch veld, waardoor ze extreem energiezuinig zouden zijn.

"Dit is een opwindende doorbraak. De toepassing van kwantumfysica op elektronica zal resulteren in nieuwe en nieuwe apparaten."

Hoe een spincondensator werkt

Bij conventioneel computergebruik informatie wordt gecodeerd en opgeslagen als een reeks bits:b.v. nullen en enen op een harde schijf. Die nullen en enen kunnen worden weergegeven of opgeslagen op de harde schijf door veranderingen in de polariteit van kleine gemagnetiseerde gebieden op de schijf.

Met kwantumtechnologie, spincondensatoren kunnen informatie schrijven en lezen die is gecodeerd in de spintoestand van elektronen door gebruik te maken van licht of elektrische velden.

Het onderzoeksteam was in staat om de spincondensator te ontwikkelen met behulp van een geavanceerde materiaalinterface gemaakt van een vorm van koolstof genaamd buckminsterfullereen (buckyballs), mangaanoxide en een magnetische kobaltelektrode. Het grensvlak tussen de nanokoolstof en het oxide is in staat om de spintoestand van elektronen op te vangen.

De tijd die nodig is om de spintoestand te laten vervallen, is verlengd door gebruik te maken van de interactie tussen de koolstofatomen in de buckyballs en het metaaloxide in aanwezigheid van een magnetische elektrode.

Enkele van 's werelds meest geavanceerde experimentele faciliteiten werden gebruikt als onderdeel van het onderzoek.

De onderzoekers gebruikten de ALBA Synchrotron in Barcelona die elektronenversnellers gebruikt om synchrotronlicht te produceren waarmee wetenschappers de atomaire structuur van materie kunnen visualiseren en de eigenschappen ervan kunnen onderzoeken. Lage-energie muon-spinspectroscopie in het Paul Scherrer Insitute in Zwitserland werd gebruikt om lokale spinveranderingen onder licht en elektrische straling binnen miljardsten van een meter in het monster te volgen. Een muon is een subatomair deeltje.

De resultaten van de experimentele analyse werden geïnterpreteerd met de hulp van computerwetenschappers van de Britse Science and Technical Facilities Council, de thuisbasis van een van de krachtigste supercomputers van het VK.

De wetenschappers geloven dat op de vooruitgang die ze hebben geboekt kan worden voortgebouwd, met name naar apparaten die in staat zijn om de spin-status voor langere tijd vast te houden.