Att ta ut elektroner på en runda genom de nanoskopiska gatorna i en digital enhet – utan att snurra utom kontroll – har utmanat forskare i flera år.

Men att behålla den kontrollen när de subatomära partiklarna rasar mot processorer kan ge en alltid uppskattad trofé:billigare, snabbare och mycket mer energieffektiva enheter.

Evgeny Tsymbal och Lingling Tao kan ha just viftat med den gröna flaggan – eller åtminstone hoppat av den vita. University of Nebraska-Lincoln fysiker har identifierat ett material vars kristallina struktur bättre kan upprätthålla en elektrons spinn:en egenskap som, liknande laddning, kan representera bitar av information i digitala enheter.

Standardprocessorer läser mängden elektrisk laddning som antingen 1:or eller 0:or, med att laddningen öppnar eller stänger en grind som reglerar elektronernas flöde. På ungefär samma sätt, spintroniska enheter kan läsa orienteringen av en elektrons spinn:uppåt mot nedåt. Enheter som kan tala både digitala språk – ladda och snurra – står redo att bearbeta och lagra information i takter som lätt överträffar de enheter som finns tillgängliga på dagens marknad.

Ändå kan en elektrons spinnorientering vända på ett kvantinfall, och gör det ofta. Det är ett problem för elingenjörer.

En lovande lösning innebär att lägga spänning på grinden som redan dikterar flödet av elektroner. Spänning kan i huvudsak "skriva" elektronernas spinn som uppåt eller nedåt medan de flödar, men oundvikliga brister i den nanoskopiska strukturen hos en enhet kommer också att förändra deras momentum. Och eftersom momentum påverkar spinn, en förskjutning i elektronernas hastighet eller bana kan ändra deras avsedda spinntillstånd innan de läses av en processor, potentiellt resultera i skratt.

"Processen blir i princip en slumpmässig vändning av snurr, sa Tsymbal, George Holmes University professor i fysik och astronomi. "När elektroner kommer till området där de ska detekteras, de förlorar informationen som är kodad i deras snurrriktning."

Ange ett material som kallas vismutindiumoxid. Baserat på beräkningar som körs genom universitetets Holland Computing Center, det kristallina materialet har en uppsättning atomsymmetrier som verkar fästa en elektrons spinn i en viss riktning som är oberoende av dess rörelsemängd. Om sant, ingenjörer kan börja använda spänning för att diktera spinn utan att oroa sig för hur defekter påverkar en elektrons momentum.

Atomsymmetrierna hos vismutindiumoxid finns förmodligen i andra kristallina material, Tsymbal sa, vilket innebär att materialvetare sannolikt kommer att upptäcka andra kandidater.

"När ett material har denna speciella kristallsymmetri, man kan hävda att detta material också borde ha den spin-uppehållande egenskapen, sa Tsymbal, chef för Nebraskas Materialforskningsvetenskaps- och ingenjörscentrum.

Spintronic-enheter förbrukar redan betydligt mindre energi än standardelektronik. Tsymbal sa att potentialen att skriva snurrorientering med spänning snarare än elektrisk ström skulle kunna göra enheterna ännu mer effektiva – potentiellt upp till 1, 000 gånger mer så.

"Spintronics är också energirelaterad forskning, eftersom genom att spara energi i våra elektroniska enheter, vi minskar strömförbrukningen, " sa Tsymbal. "Detta är en mycket viktig fråga."

Tsymbal och Tao, en postdoktor i fysik och astronomi, rapporterade sina fynd i tidskriften Naturkommunikation .