Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) och Yokohama National University (YNU) har avslöjat den säregna mekanismen genom vilken spinnstörningar färdas genom en till synes oöverkomlig region i ett kvantspinnvätskesystem. Denna nya insikt kan representera ytterligare en byggsten i nästa generations elektronik och till och med kvantdatorer.

Elektroniska enheter som vi känner dem är nära att nå sina teoretiska gränser, vilket innebär att radikalt ny teknik kommer att krävas för att få bättre prestanda eller högre miniatyrisering. Problemet är att modern elektronik är centrerad kring manipulering av elektriska strömmar och är därför främst bekymrad över den kollektiva laddningen av elektroner i rörelse. Men vad händer om signaler och data kan kodas och skickas på ett mer effektivt sätt?

Ange spintronics, ett framväxande tekniskt område som tänkt att revolutionera elektroniken, och förhoppningsvis bli en nyckelspelare i utvecklingen av kvantdatorer. I spintronic -enheter, elektronens viktigaste egenskap är deras snurrning, en inneboende egenskap som i stort sett kan ses som deras vinkelmoment och som är den bakomliggande orsaken till magnetiska fenomen i fasta ämnen. Dock, fysiker världen över kämpar för att hitta praktiska sätt att generera och transportera "snurrpaket" genom material. I en färsk studie, forskare vid Tokyo Tech och YNU, Japan, genomförde en teoretisk analys av de speciella spinntransportegenskaperna för ett visst system som kallas Kitaev -modellen.

Denna tvådimensionella modell omfattar ett bikakennätverk där varje toppunkt är värd för en snurrning. Det som är speciellt med Kitaev -systemet är att på grund av de speciella interaktionerna mellan snurr, den fungerar som en kvantspinnvätska (QSL). Detta betyder i stort att det är omöjligt i detta system att snurrar kan ordnas på ett unikt optimalt sätt som "håller varje snurr lyckligt". Detta fenomen, kallas spin -frustration, får spinn att bete sig på ett särskilt stört sätt. Professor Akihisa Koga, som ledde studien, säger:"Kitaev -modellen är en intressant lekplats för att studera QSL. Men inte mycket är känt om dess spännande transportegenskaper. "

En viktig egenskap hos Kitaev -modellen är att den har lokala symmetrier; sådana symmetrier innebär att snurr endast är korrelerade med sina närmaste grannar och inte med fjärranvändningar, vilket innebär att det bör finnas ett hinder för spinntransport. Dock, i verkligheten, små magnetiska störningar på ena kanten av ett Kitaev -system manifesteras som förändringar i snurrarna på motsatt kant, även om störningarna inte verkar orsaka några förändringar i magnetiseringen av centralen, mer symmetrisk region av materialet. Denna spännande mekanism är vad forskargruppen klargjorde i sin studie, som publiceras i Fysiska granskningsbrev .

De applicerade ett impulsmagnetiskt fält på ena kanten av en Kitaev QSL för att utlösa spinnpakettransport och simulerade numeriskt realtidsdynamiken som följde. Det visar sig att den magnetiska störningen bärs över materialets centrala region av resande Majorana fermioner. Dessa är kvasipartiklar; de är inte riktiga partiklar, men exakta approximationer av systemets kollektiva beteende.

I synnerhet, Majorana-medierad spinntransport kan inte förklaras med klassisk spinnvågsteori, och motiverar därför ytterligare experimentella studier. Men Koga är hoppfull om tillämpningspotentialen för resultaten av denna studie. Han säger, "Våra teoretiska resultat bör vara relevanta i verkliga material, också, och installationen av vår studie skulle kunna genomföras fysiskt i vissa kandidatmaterial för Kitaev -system. "

I deras artikel, forskarna diskuterar möjligt material, sätt att skapa snurrstörningar, och experimentella tillvägagångssätt för att hitta bevis på att Majorana -fermionerna reser genom huvuddelen av materialet för att nå den andra kanten. Det kan till och med vara möjligt att styra rörelsen för de statiska (icke-resande) Majorana-fermionerna i systemet, som kan vara praktisk.