Elektronik har avancerat genom kontinuerliga förbättringar av mikroprocessorteknik sedan 1960-talet. Dock, denna förädlingsprocess förväntas avstanna inom en snar framtid på grund av begränsningar som ställs av fysikens lagar. Några av dessa flaskhalsar har redan trätt i kraft. Till exempel, processorernas klockhastigheter har inte överskridit några gigahertz, eller flera operationer per nanosekund, under de senaste 20 åren, en begränsning som härrör från det elektriska motståndet hos kisel. Detta har lett till ett allt mer akut globalt sökande efter överlägsna alternativ till halvledarelektronik.

En av de ledande kandidaterna, spintronik, bygger på idén att bära information via elektronernas spinn. Att använda spinnströmmar för att förmedla information är ett spännande perspektiv eftersom det innebär lägre energiförbrukning än vanliga elektriska strömmar. Det finns, dock, många praktiska svårigheter att övervinna. En av de allvarligaste är spinninjektionsproblemet, överföra en spinnström från ett material till ett annat (t.ex. från en magnetisk metall till en halvledare). Detta tenderar att förvränga snurrarna, förstöra den information de bär.

Nu, ett genombrott i hastigheten och effektiviteten hos spintronics har uppnåtts av ett team av forskare från Nanyang Technological University (NTU), National University of Singapore (NUS), och Myndigheten för vetenskap, Teknik och forskning (A*STAR) i Singapore, samt Los Alamos National Lab i USA. De har visat att en ultrakort puls av spinnström, varar mindre än en pikosekund (en biljondels sekund), kan injiceras från en metall till en halvledare med fantastisk effektivitet, slog det tidigare rekordet för spinninjektion med över 10 000 gånger. Dessa fynd beskrevs i ett par artiklar som nyligen publicerats i de ledande vetenskapliga tidskrifterna Naturfysik och Avancerade material .

I dessa experiment, ultrakorta spinnströmpulser produceras genom att lysa en laserpuls på kobolt, en magnetisk metall. Detta genererar en svärm av exciterade elektroner med spinnpolarisation, vilket innebär att snurren för det mesta pekar åt samma håll. De spinnbärande elektronerna färdas sedan utåt, diffunderar in i andra närliggande material.

"Vi ville visa att dessa ultrakorta spinnströmpulser kan användas för effektiv spinninjektion, säger Marco Battiato, en Nanyang biträdande professor vid NTU och en medlem av forskargruppen, som hade avancerade den första teoretiska förutsägelsen av detta fenomen 2016. Han noterar att den utåtriktade spridningen av spinströmpulser sker över flera hundra femtosekunder (en femtosekund är en tusendels pikosekund). Detta är upp till 1000 gånger snabbare än konventionella elektroniska enheter, vilket gör den potentiellt användbar för framtida höghastighetsspintroniska enheter.

Den extrema hastigheten på spindiffusionen, även om det är spännande, gör också fenomenet svårt att studera i experiment med dagens elektroniska teknologier. "Vi var tvungna att ta fram en noggrann strategi för att mäta spinnströmmarna som flödar in i den halvledande delen av enheten, säger docent Elbert Chia, som ledde den experimentella delen av projektet vid NTU. "För att åstadkomma detta, vi använde en halvledare som innehöll tunga element, som omvandlar spinnströmmar till ultrakorta elektriska strömmar. Hela provet blir då en elektromagnetisk antenn, avger strålning vid terahertz-frekvenser (mellan mikrovågor och infrarött ljus). Vi kan mäta denna strålning, arbeta sedan bakåt för att ta reda på den ursprungliga spinnströmmen."

Genom att noggrant välja materialen i sin spintronic-enhet, teamet kunde definitivt visa att en spin-polariserad ström injicerades i halvledaren. Förvånande nog, styrkan på denna spinnström visade sig vara över 10, 000 gånger större än det tidigare rekordet. "I verkliga enheter, så starka spinnströmmar kommer inte att krävas, så man kan komma undan med betydligt svagare excitationer, " konstaterar docent Chia. I uppföljande experiment, författarna har kunnat avgöra hur lång tid det tog för spinnströmmen att bildas och avklinga.

"Möjligen den mest slående aspekten är att allt detta demonstrerades med ett enkelt metall-halvledargränssnitt, utan den komplicerade och kostsamma konstruktionsteknik man ser i andra spintroniska experiment, " säger Nanyang biträdande professor Justin Song, en teoretisk fysiker och National Research Foundation Fellow (NRFF) som också ingick i projektet. Proverna tillverkades av docent Hyunsoo Yangs forskargrupp vid NUS.

"Dessa resultat representerar ett grundläggande steg i utvecklingen av ultrasnabb spintronik baserad på spinströms superdiffusion, " säger Nanyang biträdande professor Battiato. I framtiden, teamet föreställer sig att denna effektiva spinninsprutningsprocess blir en av nyckelteknologierna bakom höghastighets spintronic-datorer.