Forskare vid universitetet i Basel har i samarbete med kollegor från Pisa utvecklat ett nytt koncept som använder elektronspin för att koppla om en elektrisk ström. Förutom grundforskning, sådana spinnventiler är också nyckelelementen i spintronik – en typ av elektronik som utnyttjar spinnet istället för elektronernas laddning. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Kommunikationsfysik .

Vid något tillfälle, spintronics kan bli ett modeord som är lika mycket en del av vårt ordförråd som elektronik. Tanken bakom det är att använda en elektrons rörelsemängd (spin) istället för den elektriska laddningen. Forskare runt om i världen har strävat efter detta mål i många år. Spintronics lovar många applikationer inom informationslagring och bearbetning, och skulle kunna förbättra energieffektiviteten för elektroniska enheter. En viktig förutsättning är effektiv kontroll och detektering av elektronsnurr.

Ett team av fysiker runt professor Christian Schönenberger och Dr Andreas Baumgartner från det schweiziska nanovetenskapsinstitutet och Institutionen för fysik vid universitetet i Basel har nu utvecklat en ny teknik för spintronik i halvledarenheter. Forskare från Instituto Nanoscienze-CNR i Pisa var också involverade.

Nanomagneter är nyckeln

För det här syftet, forskarna bildar två små halvledaröar (kvantprickar) bakom varandra på en nanotråd och genererar magnetfält i kvantprickarna med hjälp av nanomagneter. Med hjälp av ett externt fält, de kan styra dessa magneter individuellt och kan således avgöra om en kvantpunkt tillåter elektroner att passera med ett snurr riktat uppåt (uppåt) eller nedåt (nedåt). När två kvantpunkter är seriekopplade, en ström flyter bara om båda är inställda på "upp" eller båda till "ner". Helst ingen ström flyter om de är orienterade i motsatta riktningar.

Arunav Bordoloi, första författare till publikationen och Ph.D. student i Schönenberger-teamet, fann att denna metod producerade en spinnpolarisation nära det teoretiska maximum. "Med denna teknik, vi kan välja om en enstaka elektron i ett givet spinntillstånd tillåts komma in i eller lämna ett kvantsystem – med en effektivitet som är mycket högre än i konventionella spinnventiler, " han säger.

"Under de senaste åren har forskare runt om i världen fann att det var en svår nöt att knäcka att tillverka spinnventiler användbara för nano- och kvantelektroniska enheter, säger Dr Andreas Baumgartner, som leder projektet. "Vi har nu lyckats ta fram en."

Utforska nya fenomen

Fysikerna kunde också visa att magnetfälten är lokaliserade till specifika platser på nanotråden. "Denna teknik bör därför tillåta oss att studera spinnegenskaperna hos nya fenomen som vanligtvis är för känsliga för magnetfält, såsom nya tillstånd i ändarna av speciella supraledare, " kommenterar Dr. Baumgartner.

Detta nya tillvägagångssätt för spintronik bör nu möjliggöra direkta mätningar av spinkorrelationer och spinnförveckling och kasta nytt ljus över många gamla och nya fysiska fenomen. I framtiden, konceptet kan till och med visa sig användbart i strävan att använda elektronsnurr som den minsta informationsenheten (kvantbit) i en kvantdator.