Fysiker har utvecklat en ny teknik som använder elektriska spänningar för att styra elektronspinnet på ett chip. Den nyutvecklade metoden ger skydd mot spinnförfall, vilket innebär att den innehållna informationen kan underhållas och överföras över relativt stora avstånd, som har visats av ett team från University of Basel's Department of Physics och Swiss Nanoscience Institute. Resultaten har publicerats i Fysisk granskning X .

För några år, forskare har försökt använda elektronens snurr för att lagra och överföra information. Snurrningen på varje elektron är alltid kopplad till dess rörelse, dvs sin bana i chipet. Denna spin-orbit-koppling möjliggör målinriktad manipulation av elektronspinnet med ett externt elektriskt fält, men det får också snurrets orientering att förfalla, vilket leder till förlust av information.

I ett internationellt samarbete med kollegor från USA och Brasilien, forskare från University of Basel Department of Physics och Swiss Nanoscience Institute, ledd av professor Dominik Zumbühl, har utvecklat en ny metod som möjliggör målinriktad spinnmanipulation utan medföljande förfall.

Kontrollera snurr över långa sträckor

Forskarna har utvecklat ett chip på vilket en elektron roterar jämnt i sin bana genom materialet utan att rotationen snurrar. Snurrens orientering följer ett spiralmönster som liknar en helix. Om spänningarna som appliceras av två grindelektroder ändras, det påverkar våglängden för spiralen; centrifugeringens orientering kan således påverkas av en spänningsförändring.

Rashba- och Dresselhaus -fälten bestämmer övervägande spinnets spiralrörelse. I experimentet som beskrivs ovan, Dresselhaus- och Rashba -fälten kan hållas på samma nivå, medan den totala styrkan för de två fälten samtidigt kan kontrolleras:på detta sätt, snurrets förfall kan undertryckas.

Detta gör att forskarna kan använda spänningar för att justera snurrets orientering över avstånd större än 20 mikrometer, vilket är ett särskilt stort avstånd på ett chip och motsvarar många centrifugeringar. Spinninformation kan således överföras t.ex. mellan olika kvantbitar.

Justera fälten med elektriska spänningar

Denna metod är endast möjlig eftersom, som detta arbete visade experimentellt för första gången, både Rashba -fältet och Dresselhaus -fältet kan justeras med elektriska spänningar. Även om detta förutspåddes för mer än 20 år sedan i en teoretisk studie, det har först nu varit möjligt att visa det tack vare en nyutvecklad mätmetod baserad på kvantinterferenseffekter vid låga temperaturer nära absolut noll. Det är förväntat, dock, att spiralen också kommer att kunna styras med spänningar vid högre temperaturer och till och med vid rumstemperatur.

Grund för vidare utveckling

"Med denna metod, vi kan inte bara påverka centrifugeringsorienteringen in situ utan också styra överföringen av elektronspinn över längre sträckor utan förluster, "säger Zumbühl. Det enastående samarbetet med kollegor från University of São Paulo, University of California och University of Chicago utgör grunden för en helt ny generation enheter som bygger på spinnbaserad elektronik och skapar förutsättningar för ytterligare experimentellt arbete.