Spin-filtrering kan vara nyckeln till snabbare, mer energieffektiv omkoppling i framtida spintronic-teknik, möjliggör detektering av spin med elektriska snarare än magnetiska medel.

En UNSW-tidning som publicerades förra månaden visar spindetektering med hjälp av ett spinnfilter för att separera spinnriktningen efter deras energier.

Ultra snabb, "spintroniska" enheter med ultralåg energi är en spännande, bortom CMOS-teknik.

Upptäck spinn via elektriska medel i framtida spintronik

Det framväxande fältet av spintroniska enheter använder den extra grad av frihet som partiklarnas kvantspinn erbjuder, utöver sin laddning, möjliggör ultrasnabb, ultralåg energiberäkning.

Nyckeln är förmågan att generera och detektera spinn när den ackumuleras på ett materials yta.

Forskarnas mål är att generera och detektera spinn via elektriska medel, snarare än magnetiska medel, eftersom elektriska fält är mycket mindre energimässigt kostsamma att generera än magnetiska fält.

Energieffektiv spintronik är beroende av både generering och detektering av spinn via elektriska medel.

I starkt spin-orbit kopplade halvledarsystem, Helelektrisk generering av spinn har redan framgångsrikt demonstrerats.

Dock, detektering av spin-till-laddning-omvandling har alltid krävt ett stort antal magnetfält, vilket begränsar hastigheten och användbarheten.

I denna nya studie, UNSW-forskare har utnyttjat de icke-linjära interaktionerna mellan spinnackumulering och laddningsströmmar i gallium-arsenidhål, demonstrerar helt elektrisk spin-till-laddning-omvandling utan behov av ett magnetfält.

"Vår teknik lovar nya möjligheter för snabb spinndetektering i en mängd olika material, utan att använda ett magnetfält, " förklarar huvudförfattaren Dr. Elizabeth Marcellina.

Tidigare, generering och detektering av spinnackumulering i halvledare har uppnåtts genom optiska metoder, eller via spin Hall effekt-invers spin Hall effektpar.

Dock, dessa metoder kräver en stor spindiffusionslängd, vilket innebär att de inte är tillämpliga på starkt spinn-omloppskopplade material med kort spindiffusionslängd.

Helelektrisk spinnfiltrering

UNSW-studien introducerar en ny metod för att detektera spinnackumulering – med hjälp av ett spinnfilter, som separerar olika spinnriktningar baserat på deras energier.

Vanligtvis, spinnfilter har förlitat sig på applicering av stora magnetfält, vilket är opraktiskt och kan störa spinnackumuleringen.

Istället, UNSW-teamet utnyttjade icke-linjär interaktion mellan spinnackumulering och laddning, som underlättar omvandlingen av spinnackumulering till laddningsströmmar även vid noll magnetfält.

"Med hjälp av ballistiska, mesoskopiska gallium-arsenidhål som ett modellsystem för starkt spin-orbit-kopplade material, vi visade icke-linjär spin-till-laddning-omvandling som är helt elektrisk och kräver inget magnetfält, " säger motsvarande författare A/Prof Dimi Culcer (UNSW).

"Vi visade att icke-linjär spin-till-laddning-konvertering är helt överensstämmande med data som erhållits från linjära svarsmätningar och är storleksordningar snabbare, " säger motsvarande författare Prof Alex Hamilton, även på UNSW.

Eftersom den icke-linjära metoden inte behöver ett magnetfält eller en lång spindiffusionslängd, det lovar nya möjligheter för snabb detektering av spinnackumulering i starkt spinn-omloppskopplade material med korta spindiffusionslängder, såsom TMDC och topologiska material.

Till sist, snabbheten hos icke-linjär spin-till-laddning-omvandling kan möjliggöra tidsupplöst utläsning av spinnackumulering ner till 1 nanosekunds upplösning.