Onderzoekers van de Universiteit van Linköping en het Koninklijk Instituut voor Technologie in Zweden hebben een nieuw apparaatconcept voorgesteld dat de informatie die wordt gedragen door elektronenspin efficiënt kan overbrengen naar licht bij kamertemperatuur - een opstap naar toekomstige informatietechnologie. Ze presenteren hun aanpak in een artikel in Natuurcommunicatie .

Licht en elektronenlading zijn de belangrijkste media voor informatieverwerking en -overdracht. In de zoektocht naar nog snellere informatietechnologie, kleiner en energiezuiniger, wetenschappers over de hele wereld onderzoeken een andere eigenschap van elektronen:hun spin. Elektronica die zowel de spin als de lading van het elektron exploiteert, wordt 'spintronica' genoemd.

Zoals de aarde, een elektron draait om zijn eigen as, ofwel met de klok mee of tegen de klok in. De handigheid van de rotatie wordt aangeduid als spin-up en spin-down toestanden. In spintronica, de twee toestanden vertegenwoordigen de binaire bits en dragen dus informatie over. De informatie die door deze spintoestanden wordt gecodeerd, kan door een lichtgevend apparaat worden omgezet in licht, die vervolgens de informatie over een lange afstand via glasvezel vervoert. De overdracht van kwantuminformatie opent de mogelijkheid om zowel elektronenspin als licht te benutten, en de interactie daartussen, een technologie die bekend staat als 'opto-spintronica'.

De informatieoverdracht in opto-spintronica is gebaseerd op het principe dat de spintoestand van het elektron de eigenschappen van het uitgezonden licht bepaalt. Specifieker, het is chiraal licht, waarin het elektrische veld met de klok mee of tegen de klok in draait, gezien in de rijrichting van het licht. De rotatie van het elektrische veld wordt bepaald door de draairichting van het elektron. Maar er is een vangst.

"Het grootste probleem is dat elektronen gemakkelijk hun spin-oriëntatie verliezen wanneer de temperatuur stijgt. Een belangrijk element voor toekomstige spin-light-toepassingen is efficiënte kwantuminformatieoverdracht bij kamertemperatuur, maar bij kamertemperatuur de elektron-spinoriëntatie is bijna willekeurig. Dit betekent dat de informatie die is gecodeerd in de elektronspin verloren gaat of te vaag is om op betrouwbare wijze te worden omgezet in zijn duidelijke chirale licht, " zegt Weimin Chen van de afdeling Natuurkunde, Scheikunde en Biologie, IFM, aan de Universiteit van Linköping.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Linköping University en het Royal Institute of Technology hebben een efficiënte spin-light-interface bedacht.

"Deze interface kan niet alleen de elektronenspinsignalen bij kamertemperatuur behouden en zelfs verbeteren. Het kan deze spinsignalen ook omzetten in corresponderende chirale lichtsignalen die in een gewenste richting reizen, ' zegt Weimin Chen.

Het belangrijkste element van het apparaat zijn extreem kleine schijven van galliumstikstofarsenide, GaNA's. De schijven zijn slechts een paar nanometer hoog en op elkaar gestapeld met een dunne laag galliumarsenide (GaAs) ertussen om schoorsteenvormige nanopilaren te vormen. Ter vergelijking, de diameter van een mensenhaar is ongeveer duizend keer groter dan de diameter van de nanopilaren.

Het unieke vermogen van het voorgestelde apparaat om spinsignalen te verbeteren is te wijten aan minimale defecten die door de onderzoekers in het materiaal zijn geïntroduceerd. Minder dan één op een miljoen galliumatomen wordt verplaatst van hun aangewezen roosterplaatsen in het materiaal. De resulterende defecten in het materiaal fungeren als efficiënte spinfilters die elektronen met een ongewenste spinoriëntatie kunnen afvoeren en die met de gewenste spinoriëntatie kunnen behouden.

"Een belangrijk voordeel van het nanopijlerontwerp is dat licht eenvoudig en efficiënter kan worden in- en uitgeschakeld, " zegt Shula Chen, eerste auteur van het artikel.

De onderzoekers hopen dat hun voorgestelde apparaat nieuwe ontwerpen van spin-light-interfaces zal inspireren, die veelbelovend zijn voor toekomstige opto-spintronica-toepassingen.