Forskare har visat hur man skapar ett laddningsbart "snurrbatteri" tillverkat av material som kallas topologiska isolatorer, ett steg mot att bygga nya spintronic -enheter och kvantdatorer.

Till skillnad från vanliga material som antingen är isolatorer eller ledare, topologiska isolatorer är båda samtidigt - de är isolatorer inuti men leder elektricitet på ytan. Materialen kan användas för spintroniska enheter och kvantdatorer som är kraftfullare än dagens teknologier.

Elektroner kan tänkas ha två spinntillstånd:upp eller ner, och ett fenomen som kallas superposition gör att elektroner kan vara i båda tillstånden samtidigt. En sådan egenskap kan utnyttjas för att utföra beräkningar med hjälp av kvantmekanikens lagar, gör för datorer mycket snabbare än konventionella datorer vid vissa uppgifter.

De ledande elektronerna på ytan av topologiska isolatorer har en nyckelegenskap som kallas "spinnmomentlåsning, "i vilken riktningen för elektronernas rörelse bestämmer riktningen för dess snurr. Denna snurrning kan användas för att koda eller bära information genom att använda nedåt eller uppåt för att representera 0 eller 1 för spinnbaserad informationsbehandling och beräkning, eller spintronics.

"På grund av spin-momentum-låsningen, du kan få elektronernas spinn i linje med varandra eller "låsta" i en riktning om du passerar en ström genom det topologiska isolatormaterialet, och detta är en mycket intressant effekt, "sa Yong P. Chen, en Purdue University professor i fysik och astronomi och el- och datorteknik och chef för Purdue Quantum Center.

Tillförsel av en elektrisk ström till materialet inducerar en elektron "spinnpolarisering" som kan användas för spintronik. Vanligtvis, strömmen måste förbli påslagen för att bibehålla denna polarisering. Dock, i nya fynd, Purdue-forskare är de första som inducerar en långlivad elektronspinpolarisering som varar i två dagar även när strömmen är avstängd. Elektronspinnspolarisationen detekteras av en magnetisk spänningssond, som fungerar som en spinnkänslig voltmeter i en teknik som kallas "centrifugeringspotentiometri".

De nya fynden är detaljerade i en forskningsartikel som publicerades den 14 april i tidskriften Vetenskapliga framsteg . Experimentet leddes av den postdoktorala forskningsassistenten Jifa Tian.

"En sådan elektriskt kontrollerad ihållande spinnpolarisering med en aldrig tidigare skådad lång livslängd kan möjliggöra ett laddningsbart centrifugeringsbatteri och omskrivbart centrifugeringsminne för potentiella tillämpningar inom spintronik och kvantinformationssystem, "Sa Tian.

Denna "skrivström" skulle kunna liknas vid att registrera ettorna och nollorna i en dators minne.

"Dock, en bättre analog är batteriets, "Sa Chen." Skrivströmmen är som en laddström. Det är långsamt, precis som att ladda din iPhone i en eller två timmar, och sedan kan den mata ut i flera dagar. Det är en liknande idé. Vi laddar upp detta spinnbatteri med denna skrivström på en halvtimme eller en timme och sedan förblir snurrarna polariserade i två dagar, som ett laddningsbart batteri. "

Fyndet var en överraskning.

"Detta var inte förutsagt eller något vi letade efter när vi började experimentet, "sa han." Det var en upptäckt av misstag, tack vare Jifas tålamod och uthållighet, springer och upprepar mätningarna många gånger, och effektivt ladda upp spinnbatteriet för att mata ut en mätbar ihållande spinpolarisationssignal. "

Forskarna är osäkra på vad som orsakar effekten. Dock, en teori är att de spin-polariserade elektronerna kan överföra sin polarisering till atomkärnorna i materialet. Denna hypotes som en möjlig förklaring till experimentet föreslogs av Supriyo Datta, Purdues Thomas Duncan, framstående professor i el- och datateknik och ledare för det nyligen lanserade Purdue "spintronics främsta teaminitiativet."

"I ett möte, Professor Datta kom med det kritiska förslaget att den ihållande spinnsignalen Jifa observerade såg ut som ett batteri, "Sa Chen." Det fanns några analoga experiment som gjordes tidigare på ett kärnspinnbatteri, även om de vanligtvis krävde mycket mer utmanande förhållanden som höga magnetfält. Vår observation hittills överensstämmer med effekten som också uppstår från kärnkraftspinnet, även om vi inte har direkta bevis. "

Kärnspinn har konsekvenser för utvecklingen av kvantminne och kvantberäkning.

"Och nu har vi ett elektriskt sätt att uppnå detta, vilket betyder att det är potentiellt användbart för kvantkretsar eftersom du bara kan passera ström och du polariserar kärnvridning, "Sa Chen." Traditionellt har det varit väldigt svårt att uppnå. Vårt spinnbatteri baserat på topologiska isolatorer fungerar även vid noll magnetfält, och måttligt låga temperaturer som tiotals kelvin, vilket är mycket ovanligt."

Seokmin Hong, en tidigare doktorand i Purdue som arbetar med Datta som nu är programvaruutvecklare på Intel Corp., sa, "Medan ett vanligt laddat batteri matar ut en spänning som kan användas för att driva en laddningsström, ett 'spinbatteri' matar ut en 'spinspänning, 'eller närmare bestämt en kemisk potentialskillnad mellan elektronerna som snurrar upp och ner, som kan användas för att driva en icke-jämviktsspinnström. "

Forskarna använde små flingor av ett material som kallades vismut tellurium selenid. Det är i samma klass av material som vismuttellurid, som ligger bakom kylningsteknologi i solid state, till exempel kommersiella termoelektriska kylskåp. Dock, till skillnad från det kommersiella materialet som är en "dopad" bulk halvledare, materialet som användes i experimentet producerades noggrant för att ha ultrahög renhet och lite dopning i bulk så ledningen domineras av de spinnpolariserade elektronerna på ytan. Den syntetiserades av forskaren Ireneusz Miotkowski i halvledarbulkkristalllabbet som sköts av Chen vid Purdues institution för fysik och astronomi. Enheterna tillverkades av Tian i Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.

Tidningen var författad av Tian; Hong; och Miotkowski, Datta, och Chen.

Framtida forskning kommer att omfatta arbete för att undersöka vad som orsakar effekten genom att direkt sondera kärnspinnet, och även för att utforska hur detta spinnbatteri kan användas i potentiella praktiska tillämpningar.