Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben in samenwerking met collega's uit Pisa een nieuw concept ontwikkeld dat elektronenspin gebruikt om een ​​elektrische stroom te schakelen. Naast fundamenteel onderzoek, dergelijke spinkleppen zijn ook de belangrijkste elementen in spintronica - een type elektronica dat gebruik maakt van de spin in plaats van de lading van elektronen. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Communicatie Fysica .

Op een gegeven moment, spintronica zou een modewoord kunnen worden dat net zo goed deel uitmaakt van ons vocabulaire als elektronica. Het idee erachter is om het impulsmoment (spin) van een elektron te gebruiken in plaats van de elektrische lading. Onderzoekers over de hele wereld streven dit doel al vele jaren na. Spintronics belooft tal van toepassingen in informatieopslag en -verwerking, en zou de energie-efficiëntie van elektronische apparaten kunnen verbeteren. Een belangrijke randvoorwaarde is de efficiënte controle en detectie van elektronenspins.

Een team van natuurkundigen rond Professor Christian Schönenberger en Dr. Andreas Baumgartner van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel heeft nu een nieuwe techniek ontwikkeld voor spintronica in halfgeleiderapparaten. Ook onderzoekers van het Instituto Nanoscienze-CNR in Pisa waren betrokken.

Nanomagneten zijn de sleutel

Voor dit doeleinde, de wetenschappers vormen twee kleine halfgeleidereilandjes (quantum dots) achter elkaar op een nanodraad en genereren magnetische velden in de quantum dots met behulp van nanomagneten. Met behulp van een extern veld, ze zijn in staat om deze magneten afzonderlijk aan te sturen en zo te bepalen of een quantum dot elektronen doorlaat met een naar boven (omhoog) of naar beneden (omlaag) gerichte spin. Als twee kwantumdots in serie zijn geschakeld, er vloeit alleen een stroom als beide zijn ingesteld op 'up' of beide op 'down'. Ideaal, er vloeit geen stroom als ze in tegengestelde richtingen zijn georiënteerd.

Arunav Bordoloi, eerste auteur van de publicatie en Ph.D. student in het Schönenberger-team, ontdekte dat deze methode een spinpolarisatie produceerde die dicht bij het theoretische maximum lag. "Met deze techniek we kunnen kiezen of een enkel elektron in een bepaalde spintoestand een kwantumsysteem mag binnenkomen of verlaten - met een efficiëntie die veel groter is dan in conventionele spinkleppen, " hij zegt.

"In recente jaren, onderzoekers over de hele wereld vonden het een harde noot om te kraken om spinkleppen te fabriceren die nuttig zijn voor nano- en kwantumelektronische apparaten, " zegt Dr. Andreas Baumgartner, die het project begeleidt. "We zijn er nu in geslaagd om er een te produceren."

Nieuwe fenomenen verkennen

De natuurkundigen konden ook aantonen dat de magnetische velden gelokaliseerd zijn op specifieke locaties op de nanodraad. "Deze techniek zou ons daarom in staat moeten stellen om de spin-eigenschappen van nieuwe fenomenen te bestuderen die doorgaans te gevoelig zijn voor magnetische velden, zoals nieuwe toestanden aan de uiteinden van speciale supergeleiders, " zegt Dr. Baumgartner.

Deze nieuwe benadering van spintronica zou nu directe metingen van spincorrelaties en spinverstrengeling mogelijk moeten maken en nieuw licht moeten werpen op veel oude en nieuwe fysieke verschijnselen. In de toekomst, het concept zou zelfs nuttig kunnen zijn in de zoektocht om elektronenspins te gebruiken als de kleinste informatie-eenheid (kwantumbit) in een kwantumcomputer.