Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) en Yokohama National University (YNU) hebben het eigenaardige mechanisme blootgelegd waarmee spinverstoringen door een schijnbaar ondoordringbaar gebied van een quantum-spinvloeistofsysteem reizen. Dit nieuwe inzicht kan een nieuwe bouwsteen zijn in elektronica van de volgende generatie en zelfs in kwantumcomputers.

Elektronische apparaten zoals we ze kennen, naderen hun theoretische limieten, wat betekent dat er radicaal nieuwe technologie nodig zal zijn om betere prestaties of een hogere miniaturisatie te verkrijgen. Het probleem is dat moderne elektronica draait om het manipuleren van elektrische stromen en zich daarom vooral bezighoudt met de collectieve lading van bewegende elektronen. Maar wat als signalen en data op een efficiëntere manier kunnen worden gecodeerd en verzonden?

Voer spintronica in, een opkomend technologisch veld dat een revolutie teweeg zal brengen in de elektronica, en hopelijk een belangrijke speler worden in de ontwikkeling van kwantumcomputers. In spintronische apparaten, het belangrijkste kenmerk van elektronen is hun spin, een intrinsieke eigenschap die algemeen kan worden gezien als hun impulsmoment en die de onderliggende oorzaak is van magnetische verschijnselen in vaste stoffen. Echter, natuurkundigen over de hele wereld worstelen met het vinden van praktische manieren om 'spinpakketten' door materialen te genereren en te transporteren. In een recente studie, wetenschappers van Tokyo Tech en YNU, Japan, voerde een theoretische analyse uit van de eigenaardige spintransportkarakteristieken van een bepaald systeem, het Kitaev-model.

Dit tweedimensionale model bestaat uit een honingraatnetwerk waarin elk hoekpunt een spin herbergt. Het bijzondere aan het Kitaev-systeem is dat vanwege de eigenaardige interacties tussen spins, het gedraagt ​​zich als een quantum spin-vloeistof (QSL). Dit betekent in grote lijnen dat het in dit systeem onmogelijk is om spins op een unieke optimale manier te rangschikken die "elke draai gelukkig houdt". Dit fenomeen, spin-frustratie genoemd, zorgt ervoor dat spins zich op een bijzonder ongeordende manier gedragen. Professor Akihisa Koga, die de studie leidde, zegt:"Het Kitaev-model is een interessante speeltuin voor het bestuderen van QSL's. er is niet veel bekend over zijn intrigerende spintransporteigenschappen."

Een belangrijk kenmerk van het Kitaev-model is dat het lokale symmetrieën heeft; dergelijke symmetrieën betekenen dat spins alleen gecorreleerd zijn met hun naaste buren en niet met verre spins, wat impliceert dat er een barrière moet zijn voor spintransport. Echter, in werkelijkheid, kleine magnetische verstoringen aan de ene rand van een Kitaev-systeem manifesteren zich als veranderingen in de spins aan de andere rand, ook al lijken de verstoringen geen veranderingen te veroorzaken in de magnetisatie van de centrale, meer symmetrische gebied van het materiaal. Dit intrigerende mechanisme is wat het team van wetenschappers verduidelijkte in hun studie, die is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Ze pasten een magnetisch impulsveld toe op één rand van een Kitaev QSL om spinpakkettransport te activeren en simuleerden numeriek de realtime dynamiek die zich vervolgens ontvouwde. Het blijkt dat de magnetische verstoring door het centrale gebied van het materiaal wordt gedragen door reizende Majorana-fermionen. Dit zijn quasideeltjes; het zijn geen echte deeltjes, maar nauwkeurige benaderingen van het collectieve gedrag van het systeem.

Opmerkelijk, Majorana-gemedieerd spintransport kan niet worden verklaard door de klassieke spingolftheorie, en rechtvaardigt daarom verder experimenteel onderzoek. Maar Koga is hoopvol over het toepassingspotentieel van de resultaten van dit onderzoek. Hij zegt, "Onze theoretische resultaten moeten relevant zijn in echte materialen, ook, en de opzet van onze studie kan fysiek worden geïmplementeerd in bepaalde kandidaatmaterialen voor Kitaev-systemen."

In hun artikel, de wetenschappers bespreken mogelijke materialen, manieren om de spin verstoringen te creëren, en experimentele benaderingen om bewijs te vinden dat de Majorana-fermionen door het grootste deel van het materiaal reizen om de andere rand te bereiken. Het kan zelfs mogelijk zijn om de beweging van de statische (niet-bewegende) Majorana-fermionen in het systeem te regelen, die van praktisch nut kunnen zijn.