Wetenschap
Van de aarde naar Mars:het transporteren van spin-informatie met de snelheid van het licht
Wetenschappers hebben elektrische pulsen gebruikt om magnetische informatie te manipuleren in een gepolariseerd lichtsignaal, een ontdekking die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de optische telecommunicatie over lange afstanden, ook tussen de aarde en Mars.
De doorbraak, beschreven in een onderzoek gepubliceerd in Nature , omvat het vakgebied van de spintronica, dat tot doel heeft de spin van elektronen te manipuleren om informatie op te slaan en te verwerken.
De onderzoekers pasten een elektrische puls toe om deze spin-informatie over te brengen van elektronen naar fotonen, de deeltjes waaruit licht bestaat, waardoor de informatie met grote snelheid over grote afstanden kan worden vervoerd. Hun methode voldoet aan drie cruciale criteria – werking bij kamertemperatuur, geen behoefte aan een magnetisch veld en de mogelijkheid voor elektrische bediening – en opent de deur naar een reeks toepassingen, waaronder ultrasnelle communicatie en kwantumtechnologieën.
“Tientallen jaren lang droomden we van en voorspelden we spintronische apparaten op kamertemperatuur die verder gingen dan magnetoweerstand en alleen maar informatie opslaan. Met de ontdekking van dit team worden onze dromen werkelijkheid”, zegt Igor Žutić, co-auteur van het onderzoek, SUNY Distinguished Professor of Physics aan de universiteit. bij Buffalo.
De studie werd geleid door het Jean Lamour Instituut, een gezamenlijke eenheid van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) en de Universiteit van Lotharingen. Andere bijdragers vertegenwoordigen universiteiten en instituten in Frankrijk, Duitsland, Japan, China en de Verenigde Staten.
Spintronic-apparaten kunnen conventionele elektronica vervangen
In de spintronica, die met succes is toegepast in magnetische harde schijven van computers, wordt informatie weergegeven door elektronenspin en, bij wijze van proxy, de richting van de magnetisatie.
Ferromagneten, zoals ijzer of kobalt, hebben een ongelijk aantal elektronen waarvan de spins langs of tegen de magnetisatie-as zijn georiënteerd. Elektronen met spin langs de magnetisatie bewegen soepel over een ferromagneet, terwijl elektronen met tegengestelde spinoriëntatie rondstuiteren. Dit vertegenwoordigt binaire informatie, 0 en 1.
De resulterende verandering van de weerstand is het sleutelprincipe voor spintronische apparaten, waarvan de magnetische toestand, die kan worden beschouwd als opgeslagen informatie, voor onbepaalde tijd wordt gehandhaafd. Net zoals een koelkastmagneet geen stroom nodig heeft om aan de deur te blijven plakken, zouden spintronische apparaten veel minder stroom nodig hebben dan conventionele elektronica.
Echter, net als bij het uit het water halen van een vis, gaat de spin-informatie snel verloren en kan deze niet ver reizen wanneer elektronen uit de ferromagneet worden gehaald. Deze grote beperking kan worden overwonnen door licht via zijn circulaire polarisatie, ook wel heliciteit genoemd, te gebruiken als een andere spindrager.
Net zoals mensen eeuwen geleden postduiven gebruikten om schriftelijke communicatie verder en sneller te transporteren dan te voet mogelijk was, zou de truc zijn om elektronenspin over te brengen op foto's, het kwantum van licht.
Spin-LED's voldoen aan drie criteria
De aanwezigheid van spin-baankoppeling, die ook verantwoordelijk is voor het verlies van spininformatie buiten de ferromagneet, maakt een dergelijke overdracht mogelijk. De cruciale ontbrekende schakel is dan het elektrisch moduleren van de magnetisatie en daarmee het veranderen van de heliciteit van het uitgezonden licht.
“Het concept van spin-LED’s werd aanvankelijk eind vorige eeuw voorgesteld. Voor de overgang naar een praktische toepassing moet het echter aan drie cruciale criteria voldoen:werking bij kamertemperatuur, geen behoefte aan een magnetisch veld, en de mogelijkheid om elektrische controle”, zegt de corresponderende auteur van het onderzoek, Yuan Lu, senior CNRS-onderzoeker aan het Jean Lamour Instituut.
"Na meer dan 15 jaar toegewijd werk op dit gebied heeft ons samenwerkingsteam met succes alle obstakels overwonnen."
De onderzoekers hebben met succes de magnetisatie van een spin-injector omgezet door een elektrische puls met behulp van het spin-orbit-koppel. De spin van het elektron wordt snel omgezet in informatie die vervat zit in de heliciteit van de uitgezonden fotonen, waardoor een naadloze integratie van de magnetisatiedynamiek met fotonische technologieën mogelijk wordt.
Deze elektrisch gestuurde spin-foton-omzetting wordt nu bereikt in de elektroluminescentie van lichtemitterende diodes. In de toekomst zou deze zeer efficiënte informatiecodering, door de implementatie in halfgeleiderlaserdiodes, de zogenaamde spinlasers, de weg kunnen vrijmaken voor snelle communicatie over interplanetaire afstanden, aangezien de polarisatie van licht behouden kan blijven bij de voortplanting van de ruimte, waardoor het mogelijk de snelste communicatiemethode tussen de aarde en Mars.
Het zal ook de ontwikkeling van verschillende geavanceerde technologieën op aarde enorm ten goede komen, zoals optische kwantumcommunicatie en -berekeningen, neuromorfe computing voor kunstmatige intelligentie, ultrasnelle en zeer efficiënte optische zenders voor datacentra of Light-Fidelity (LiFi)-toepassingen.
"De realisatie van spin-orbit-torque spin-injectoren is een beslissende stap die de ontwikkeling van ultrasnelle en energiezuinige spinlasers voor de volgende generatie optische communicatie- en kwantumtechnologieën aanzienlijk zal bevorderen", zegt co-auteur Nils Gerhardt, professor aan de leerstoel Fotonica en Terahertz-technologie aan de Ruhruniversiteit in Bochum.