Forskare har skapat en ny testplats för kvantsystem där de bokstavligen kan slå på och av vissa partikelinteraktioner, möjligen banar väg för framsteg inom spintronics.

Spinntransportelektronik har potential att revolutionera elektroniska enheter som vi känner dem, särskilt när det gäller datorer. Medan standardelektronik använder en elektronladdning för att koda information, spintronic -enheter förlitar sig på en annan inneboende egenskap hos elektronen:dess snurr.

Spintronics kan vara snabbare och mer tillförlitlig än konventionell elektronik, eftersom centrifugering snabbt kan ändras och dessa enheter använder mindre ström. Dock, fältet är ungt och det finns många frågor forskare behöver lösa för att förbättra kontrollen över spinninformation. En av de mest komplexa frågorna som plågar fältet är hur signalen transporteras av partiklar med spinn, känd som spinnström, förfaller med tiden.

"Signalen vi behöver för att få spintronics att fungera, och för att studera dessa saker, kan förfalla. Precis som vi vill att en bra mobiltelefontjänst ska ringa, vi vill att denna signal ska vara stark, "sa Chuan-Hsun Li, en doktorand i el- och datateknik vid Purdue University. "När spinnströmmen försvinner, vi tappar signalen. "I den verkliga världen, elektroner existerar inte oberoende av allt omkring dem och beter sig exakt som vi förväntar oss att de ska göra. De interagerar med andra partiklar och mellan olika egenskaper inom sig själva. Interaktionen mellan en partikels spin (en inneboende egenskap) och momentum (en yttre egenskap) är känd som spin-orbit-koppling.

Enligt ett nytt papper i Naturkommunikation , spin-orbit-koppling och interaktioner med andra partiklar kan dramatiskt öka rotationsströmmen förfall i en kvantvätska som kallas Bose-Einstein-kondensat (BEC).

"Folk vill manipulera spinnbildning så att vi kan använda den för att koda information, och ett sätt att göra detta är att använda fysiska mekanismer som spin-orbit-koppling, "Sa Li." Men detta kan leda till vissa nackdelar, till exempel förlust av spinninformation. "

Experimentet gjordes i Yong Chens laboratorium, professor i fysik och astronomi, och el- och datorteknik på Purdue, där hans team skapade något som en mini -partikelkolliderare för BEC:er. Med hjälp av lasrar, Rubidium-87-atomer i en vakuumkammare fångades och kyldes nästan till absolut noll. (Fysiknarkomaner kan komma ihåg att laserkylningsteknologi vann Nobelpriset i fysik 1997. Laserfångning vann priset 2018.)

Vid denna tidpunkt, atomerna blir en BEC:den kallaste och mest mystiska av materiens fem tillstånd. När atomer blir kallare, de börjar visa vågliknande egenskaper. I detta kvanttillstånd, de har en identitetskris; de överlappar varandra och slutar bete sig som individer. Även om BEC tekniskt sett inte är en gas, detta kan vara det enklaste sättet att föreställa sig det - fysiker kallar det slumpmässigt som kvantfluid eller kvantgas.

Inuti mini quantum fluid collider, Chens team skickade två BEC:er med motsatta snurr som krossade in i varandra. Som två gasmoln skulle, de tränger delvis in i varandra, levererar en spinnström.

"Många fascinerande fenomen uppstår när du kolliderar två kondensat. Ursprungligen de är överflödiga, men när de krockar, en del av friktionen kan göra dem till termisk gas, "Sa Chen." Eftersom vi kan styra varje parameter, Detta är ett riktigt effektivt system för att studera den här typen av kollisioner. "

Med hjälp av detta system, forskare kan bokstavligen slå på och stänga av spinn-omloppskoppling, vilket gör att de kan isolera dess effekt på rotationsströmmen. Detta kan inte göras med elektroner i fasta material, som är en del av det som gör detta system så kraftfullt, Sa Chen.

Så kallad kvantgas är det renaste systemet människan kan göra. Det finns ingen störning, vilket gör det möjligt att skapa en ren spinnström och studera dess egenskaper. Chen hoppas kunna fortsätta använda denna experimentella testmark och deras bosoniska spinnström för att ytterligare utforska många grundläggande frågor inom spinntransport och kvantdynamik.

"En viktig utmaning för spintronics och andra relaterade kvanttekniker är att minska förfall så att vi kan sprida information om längre avstånd, för längre tider, "sa han." Med denna nya kunskap om rollen som spinn-omloppskoppling, Detta kan hjälpa människor att få nya insikter för att minska rotationsförfall och eventuellt också utforma bättre spintronic -enheter. "