Modern datorteknik bygger på transport av elektrisk laddning i halvledare. Men den här teknikens potential kommer att nå sina gränser inom en snar framtid, eftersom de utplacerade komponenterna inte kan miniatyriseras ytterligare. Men, det finns ett annat alternativ:att använda en elektrons spin, istället för dess laddning, att överföra information. Ett team av forskare från München och Kyoto visar nu hur detta fungerar.

Datorer och mobila enheter fortsätter att ge allt mer funktionalitet. Grunden för denna ökning av prestanda har varit en successivt utökad miniatyrisering. Dock, det finns grundläggande gränser för graden av miniatyrisering som är möjlig, vilket innebär att godtyckliga storleksreduktioner inte kommer att vara möjliga med halvledarteknik.

Forskare runt om i världen arbetar alltså med alternativ. Ett särskilt lovande tillvägagångssätt involverar så kallad spinelektronik. Detta drar fördel av det faktum att elektroner har, förutom avgift, vinkelmoment - snurran. Experterna hoppas kunna använda denna egenskap för att öka informationstätheten och samtidigt funktionaliteten hos framtida elektronik.

Tillsammans med kollegor vid Kyoto-universitetet i Japan har forskare vid Walther-Meißner-Institute (WMI) och Tekniska universitetet i München (TUM) i Garching nu demonstrerat transport av spinninformation vid rumstemperatur i ett anmärkningsvärt materialsystem.

Ett unikt gränsskikt

I deras experiment, de demonstrerade produktionen, transport och detektering av elektroniska spinn i gränsskiktet mellan materialen lantan-aluminat (LaAlO2) och strontium-titanat (SrTiO3). Det som gör detta materialsystem unikt är att en extremt tunn, ett elektriskt ledande skikt bildas vid gränsytan mellan de två icke-ledande materialen:en så kallad tvådimensionell elektrongas.

Det tysk-japanska teamet har nu visat att denna tvådimensionella elektrongas inte bara transporterar laddning, utan även snurra. "För att uppnå detta var vi först tvungna att övervinna flera tekniska hinder, säger Dr Hans Hübl, forskare vid lärostolen för teknisk fysik vid TUM och biträdande direktör för Walther-Meißner-institutet. "De två nyckelfrågorna var:Hur kan spinn överföras till den tvådimensionella elektrongasen och hur kan transporten bevisas?"

Informationstransport via spinn

Forskarna löste problemet med spinnöverföring med hjälp av en magnetisk kontakt. Mikrovågsstrålning tvingar sina elektroner till en precessionsrörelse, analogt med en topps vacklande rörelse. Precis som i en topp, denna rörelse varar inte för evigt, men hellre, försvagas med tiden - i det här fallet genom att ge sin spin till den tvådimensionella elektrongasen.

Elektrongasen transporterar sedan spinninformationen till en omagnetisk kontakt som ligger en mikrometer bredvid kontakten. Den icke-magnetiska kontakten detekterar spinntransporten genom att absorbera spinn, bygga upp en elektrisk potential i processen. Genom att mäta denna potential kunde forskarna systematiskt undersöka transporten av spinn och demonstrera genomförbarheten av att överbrygga avstånd upp till hundra gånger större än avståndet för dagens transistorer.

Baserat på dessa resultat, forskarteamet undersöker nu i vilken utsträckning spin elektroniska komponenter med ny funktionalitet kan implementeras med detta materialsystem.