Het kan in de toekomst mogelijk zijn om informatietechnologie te gebruiken waarbij elektronenspin wordt gebruikt voor het opslaan, verwerken en overbrengen van informatie in kwantumcomputers. Het is al lang het doel van wetenschappers om op kamertemperatuur op spin gebaseerde kwantuminformatietechnologie te kunnen gebruiken. Een team van onderzoekers uit Zweden, Finland en Japan hebben nu een halfgeleidercomponent geconstrueerd waarin informatie bij kamertemperatuur en hoger efficiënt kan worden uitgewisseld tussen elektronenspin en licht. De nieuwe methode wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in Natuurfotonica .

Het is algemeen bekend dat elektronen een negatieve lading hebben; ze hebben ook een andere eigenschap genaamd spin. Dit kan een belangrijke rol spelen in de opmars van de informatietechnologie. Simpel gezegd, we kunnen ons voorstellen dat het elektron rond zijn eigen as draait, vergelijkbaar met de manier waarop de aarde om haar eigen as draait. Spintronica - een veelbelovende kandidaat voor toekomstige informatietechnologie - gebruikt deze kwantumeigenschap van elektronen om op te slaan, informatie verwerken en overdragen. Dit brengt belangrijke voordelen met zich mee, zoals een hogere snelheid en een lager energieverbruik dan traditionele elektronica.

Ontwikkelingen in spintronica in de afgelopen decennia zijn gebaseerd op het gebruik van metalen, en deze zijn zeer belangrijk geweest voor de mogelijkheid om grote hoeveelheden gegevens op te slaan. Er zou, echter, verschillende voordelen zijn bij het gebruik van spintronica op basis van halfgeleiders, net zoals halfgeleiders de ruggengraat vormen van de hedendaagse elektronica en fotonica.

"Een belangrijk voordeel van spintronica op basis van halfgeleiders is de mogelijkheid om de informatie die wordt weergegeven door de spintoestand om te zetten en over te brengen naar licht, en vice versa. De technologie staat bekend als opto-spintronica. Het zou het mogelijk maken om informatieverwerking en opslag op basis van spin te integreren met informatieoverdracht door licht, " zegt Weimin Chen, professor aan de Universiteit van Linköping, Zweden, die het project leidde.

Aangezien de tegenwoordig gebruikte elektronica bij kamertemperatuur en hoger werkt, een serieus probleem bij de ontwikkeling van spintronica was dat elektronen de neiging hebben om te wisselen en hun draairichting willekeurig te veranderen wanneer de temperatuur stijgt. Dit betekent dat de informatie die wordt gecodeerd door de elektronspintoestanden verloren gaat of dubbelzinnig wordt. Het is dus een noodzakelijke voorwaarde voor de ontwikkeling van op halfgeleiders gebaseerde spintronica dat we in wezen alle elektronen naar dezelfde spintoestand kunnen oriënteren en behouden, met andere woorden dat ze spin-gepolariseerd zijn, bij kamertemperatuur en hogere temperaturen. Eerder onderzoek heeft een hoogste elektronenspinpolarisatie van ongeveer 60% bij kamertemperatuur bereikt, onhoudbaar voor grootschalige praktijktoepassingen.

Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Tampere University en Hokkaido University hebben nu een elektronenspinpolarisatie bereikt bij kamertemperatuur van meer dan 90%. De spinpolarisatie blijft zelfs tot 110 °C op een hoog niveau. Deze technologische vooruitgang, die wordt beschreven in Natuurfotonica , is gebaseerd op een opto-spintronische nanostructuur die de onderzoekers hebben opgebouwd uit lagen van verschillende halfgeleidermaterialen. Het bevat nanoschaalgebieden die kwantumstippen worden genoemd. Elke kwantumstip is ongeveer 10, 000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar. Wanneer een spin-gepolariseerd elektron botst op een kwantumdot, het straalt licht uit - om precies te zijn, het zendt een enkel foton uit met een toestand (impulsmoment) bepaald door de elektronenspin. Dus, kwantumstippen worden beschouwd als een groot potentieel als interface om informatie over te dragen tussen elektronenspin en licht, zoals nodig zal zijn in spintronica, fotonica en kwantumcomputers. In de nieuw gepubliceerde studie, de wetenschappers laten zien dat het mogelijk is om een ​​aangrenzend spinfilter te gebruiken om de elektronenspin van de kwantumstippen op afstand te regelen, en op kamertemperatuur.

De quantum dots zijn gemaakt van indiumarsenide (InAs), en een laag galliumstikstofarsenide (GaNA's) fungeert als een filter van spin. Daartussen is een laag galliumarsenide (GaAs) aangebracht. Soortgelijke structuren worden al gebruikt in opto-elektronische technologie op basis van galliumarsenide, en de onderzoekers denken dat dit het gemakkelijker kan maken om spintronica te integreren met bestaande elektronische en fotonische componenten.

"We zijn erg blij dat onze inspanningen op lange termijn om de expertise die nodig is om sterk gecontroleerde N-bevattende halfgeleiders te fabriceren te vergroten, een nieuwe grens in spintronica definiëren. Tot nu toe, we hebben veel succes gehad bij het gebruik van dergelijke materialen voor opto-elektronische apparaten, meest recentelijk in hoogrenderende zonnecellen en laserdiodes. Nu kijken we ernaar uit om dit werk voort te zetten en fotonica en spintronica te verenigen, gebruikmakend van een gemeenschappelijk platform voor op licht gebaseerde en op spin gebaseerde kwantumtechnologie, " zegt professor Mircea Guina, hoofd van het onderzoeksteam van Tampere University in Finland.