Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben aangetoond dat informatie door een diamantdraad kan stromen. In het experiment, elektronen stroomden niet door diamant zoals in traditionele elektronica; liever, ze bleven op hun plaats en gaven een magnetisch effect dat 'spin' wordt genoemd naar elkaar langs de draad - als een rij sporttoeschouwers die 'de golf' doen.

Spin zou ooit kunnen worden gebruikt om gegevens in computercircuits te verzenden - en dit nieuwe experiment, gedaan aan de Ohio State University, onthulde dat diamant spin beter doorgeeft dan de meeste metalen waarin onderzoekers het effect eerder hebben waargenomen.

Wereldwijd werken onderzoekers aan de ontwikkeling van zogenaamde "spintronica, " die computers tegelijkertijd sneller en krachtiger zou kunnen maken.

Diamond heeft veel te bieden als het gaat om spintronica, zei hoofdonderzoeker Chris Hammel, Ohio Eminent Scholar in Experimental Physics aan de Ohio State. Het is moeilijk, transparant, elektrisch isolerend, ongevoelig voor milieuverontreiniging, bestand tegen zuren, en houdt geen warmte vast zoals halfgeleiders.

"In principe, het is inert. Je kunt er niets aan doen. Voor een wetenschapper, diamanten zijn nogal saai, tenzij je verloofd bent, "Zei Hammel. "Maar het is interessant om na te denken over hoe diamant zou werken in een computer."

Het prijskaartje voor de diamantdraad bereikte de verhoudingen van de verlovingsring niet, Hammel bevestigd. Het kostte slechts $ 100, omdat het van synthetisch is gemaakt, in plaats van natuurlijk, diamant.

De bevindingen hier vertegenwoordigen de eerste zeer kleine stap op een zeer lange weg die ooit zou kunnen leiden tot diamanttransistors.

Maar verder, deze ontdekking zou de manier kunnen veranderen waarop onderzoekers spin bestuderen, zei Hammel.

De bevinding verschijnt in het 23 maart nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Elektronen bereiken verschillende spintoestanden afhankelijk van de richting waarin ze draaien - omhoog of omlaag. Het team van Hammel plaatste een minuscuul diamantdraadje in een magnetische resonantiekrachtmicroscoop en ontdekte dat de spintoestanden in de draad volgens een patroon varieerden.

"Als deze draad deel uitmaakte van een computer, het zou informatie overdragen. Het lijdt geen twijfel dat je aan het uiteinde van de draad zou kunnen zien wat de spintoestand van het oorspronkelijke deeltje was aan het begin, " hij zei.

Normaal gesproken, diamant kon helemaal geen spin dragen, omdat zijn koolstofatomen aan elkaar vast zitten, waarbij elk elektron stevig vastzit aan een naburig elektron. De onderzoekers moesten de draad bezaaien met stikstofatomen om er ongepaarde elektronen te krijgen die konden draaien. De draad bevatte slechts één stikstofatoom voor elke drie miljoen diamantatomen, maar dat was genoeg om de draad spin te laten dragen.

Het experiment werkte omdat de natuurkundigen van de staat Ohio in staat waren om elektronenspin op een kleinere schaal dan ooit tevoren te observeren. Ze richtten het magnetische veld in hun microscoop op afzonderlijke delen van de draad, en ontdekten dat ze konden detecteren wanneer spin door die delen ging.

De draad was slechts vier micrometer lang en 200 nanometer breed. Om erin te kijken, ze zetten de magnetische spoel in de microscoop om in kleine fracties van een seconde aan en uit te schakelen, het genereren van pulsen die 15 nanometer (ongeveer 50 atomen) brede snapshots van elektronengedrag creëerden. Ze wisten dat spin door de diamant stroomde toen een magneet op een delicate cantilever minieme hoeveelheden bewoog, omdat deze afwisselend werd aangetrokken of afgestoten door de atomen in de draad, afhankelijk van hun spinstatussen.

Nog verrassender was dat de spintoestanden aan het einde van de draad twee keer zo lang duurden dan in het midden. Op basis van gewone experimenten, de natuurkundigen zouden verwachten dat spintoestanden even lang zouden duren, ongeacht waar de meting is gedaan. In dit geval, spintoestanden in de draad duurden ongeveer 15 milliseconden, en tegen het einde duurden ze 30 milliseconden.

Het team van Hammel vermoedt dat ze dit nieuwe effect hebben kunnen zien, mede omdat ze zo goed konden inzoomen op de draad. Terwijl ze hun kleine observatievenster op de punt van de draad richtten, ze waren getuige van het stromen van spin in de enige richting waarin het kon stromen:de draad in. Toen ze langs de draad liepen om het midden te observeren, het "venster" wordt twee keer zo snel leeggemaakt van spin, omdat de spintoestanden in beide richtingen konden stromen - in en uit de draad.

"Het is een dramatisch enorm effect dat we niet hadden verwacht, ' zei Hammel.

De ontdekking daagt de manier uit waarop onderzoekers de afgelopen 70 jaar spin hebben bestudeerd, Hammel uitgelegd.

"Het feit dat spins zo kunnen bewegen, betekent dat de conventionele manier waarop de wereld spindynamiek op macroscopisch niveau meet, heroverwogen moet worden - het is eigenlijk niet geldig, " hij voegde toe.

Conventionele experimenten hebben niet de fijne resolutie om in objecten te kijken die zo klein zijn als de draad die in dit onderzoek is gebruikt, en kan dus alleen naar dergelijke objecten als geheel kijken. Onder die omstandigheden, onderzoekers kunnen alleen de gemiddelde spintoestand detecteren:hoeveel elektronen in het monster wijzen naar boven, en hoeveel er naar beneden wijzen. Onderzoekers zouden het verschil niet weten als een paar elektronen in een deel van het monster van beneden naar boven zouden omslaan, en een ander deel draaide van boven naar beneden, omdat het gemiddelde aantal spins hetzelfde zou blijven.

"Het is niet het gemiddelde dat we willen, " zei Hammel. "We willen weten hoeveel de spins variëren, en wat is de levensduur van een bepaalde spintoestand."

Het is het verschil tussen weten dat gemiddeld een kwart van alle toeschouwers in een stadion tegelijkertijd staat, en wetende dat individuele mensen staan ​​en zitten in een patroon dat getimed is om 'de golf' te vormen.

Niemand kon eerder de spins in diamant zien, maar dit experiment bewees dat diamant spin op een georganiseerde manier kan transporteren, het behoud van de spin-status - en, dus, informatie bewaren.

De natuurkundigen moesten de draad afkoelen tot 4,2 Kelvin (ongeveer -452 graden Fahrenheit of -269 graden Celsius) om de spins te vertragen en hun gevoelige detector voldoende stil te maken om deze paar spins detecteerbaar te maken. Er zouden veel vorderingen moeten worden gemaakt voordat het effect bij kamertemperatuur kon worden benut.