Hälften av alla transistorer i din iPhone använder positivt laddade "hål", snarare än negativt laddade elektroner att fungera.

På universitetet, vi lär studenter att hål är kvasipartiklar, i princip "saknade elektroner" - lite som bubblan i ett vattenpass, eller den saknade stolen i ett spel med musikaliska stolar.

Men det är inte hela historien:hål har också väldigt olika "spin"-egenskaper än elektroner. (En partikels spinn är dess inneboende rörelsemängd.)

Dessa unika spinnegenskaper hos hål gör dem mycket attraktiva för ultralågdrivna spintransistorer, höghastighets kvantbitar, och feltoleranta topologiska kvantbitar.

Problemet är att vi tills nyligen inte hade en bra förståelse för spinnegenskaperna hos hål i transistorer i nanoskala. Faktiskt, de bästa teorierna förutspådde det motsatta beteendet till det som observerades i experiment.

Nu, ett team av fysiker ledda av UNSW:s Alex Hamilton och Oleg Sushkov har löst mysteriet genom att identifiera en ny term i ekvationerna som tidigare hade förbisetts.

Detta förenar experiment och teori, och banar väg för framtida kvantelektronik och kvantberäkningsenheter.

Nyckeln till problemet är att ett hål beter sig väldigt annorlunda när det är begränsat till endast två dimensioner, jämfört med dess beteende i en normal, tredimensionell solid.

En transistor är tillverkad av två halvledarmaterial med lite olika elektroniska egenskaper, sammanpressade. I gränssnittet mellan dessa två material, en effektivt tvådimensionell zon existerar, där ett tunt ark av elektroner eller hål kan styras för att utföra de nödvändiga logiska funktionerna.

Men medan beteendet hos hål i tre dimensioner har varit väl förstått i många decennier, deras begränsning till två dimensioner introducerar nya faktorer som orsakar annars oförutsägbara svar på ett applicerat magnetfält. Nämligen, denna inneslutning introducerar en ny "spin-omloppsinteraktion".

Spin-orbit interaction (SOI), är kopplingen av hålets rörelse genom rymden (till exempel i omloppsbana runt en atom eller längs en strömförande bana) och dess spinn. Denna spin-omloppsinteraktion förändrar hur hål svarar på ett magnetfält och är nyckeln till funktionen hos topologiska material, som studeras vid FLEET för deras potential att bilda vägar med ultralågt motstånd för elektrisk ström.

Den nya studien är första gången som dessa nya spin-omloppseffekter för hål begränsade till en dimension har klassificerats korrekt.

Under 2006, UNSW-experiment hittade ett resultat som inte matchade befintlig teori:

Experimenter tittade på effekterna av ett externt magnetfält applicerat på en endimensionell, laddningsbärande väg känd som en kvanttråd.

Det applicerade magnetfältet separerar, eller delar, energinivåerna för hål med olika snurr. Experiment visade att spin-splittringen var extremt känslig för magnetfältets riktning, till skillnad från elektroner som är okänsliga för fältriktningen.

Vidare, spin-splittringen visade sig vara störst när magnetfältet applicerades längs kvanttråden – ett resultat som var helt i strid med existerande teorier. Denna oenighet mellan experiment och teori förblev oförklarad under det senaste decenniet.

Den senaste studien identifierade en ny spin-orbit interaktionsfaktor orsakad av hålens begränsning till en dimension, och fann att denna nya faktor förklarade 2006 års experimentella resultat.

Den nya studien har precis dykt upp Fysiska granskningsbrev , flaggskeppstidningen för American Physical Society.

Forskningen förenade teoretiska och experimentella fysiker vid UNSW med kollegor i Cambridge och Sheffield i Storbritannien, och Novosibirsk i Ryssland.

Arbetet finansierades av Australian Research Council Discovery Program, och inkluderade FLEETs Alex Hamilton, Oleg Sushkov och Dima Miserev.

FLEET är en ny, ARC-finansierat forskningscenter som syftar till att ta itu med den växande datorenergiutmaningen med material som bara är en atom i tjocklek. FLEET (ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) använder atomärt tunna, tvådimensionella (2-D) material som grunden för en ny generation av ultralågenergielektronik. FLEET förbinder forskare från UNSW School of Physics och UNSW School of Materials Science and Engineering med kollegor vid sex andra universitet och 13 andra australiska och internationella vetenskapscentra.

Alex Hamilton leder FLEETs forskningstema 1, söka efter topologiska system för framtida förluster, ultralågenergielektronik.

Den ursprungliga studien 2006, också ledd av prof Hamilton och även publicerad i Fysiska granskningsbrev , fann att riktningen för ett applicerat magnetfält bestämde uppdelningen av konduktiviteten i en ström av hål. Samma effekt uppstår inte i en ström av elektroner.

Denna studie var också den första som karakteriserade effekten av ett magnetfält på en ström av hål längs en kvanttråd. Experimenten visade att när hål färdas längs en endimensionell bana, deras snurr roterar för att passa in i ett magnetfält som appliceras i en viss riktning.

Detta svar skiljer hål från elektroner, som inte svarar på samma sätt på förändringar – de bryr sig inte på vilket sätt fältet tillämpas.

Den unika egenskapen hos hål ger spännande potential för deras användning i "spintronic"-teknik. Inom spintronik, en partikels magnetiska spinn används för att utföra logiska funktioner, snarare än bara partikelns elektriska laddning, som i traditionell elektronik.