Det kan vara möjligt i framtiden att använda informationsteknik där elektronspin används för att lagra, bearbeta och överföra information i kvantdatorer. Det har länge varit forskarnas mål att kunna använda spin-baserad kvantinformationsteknik i rumstemperatur. Ett team av forskare från Sverige, Finland och Japan har nu konstruerat en halvledarkomponent där information effektivt kan utbytas mellan elektronspin och ljus vid rumstemperatur och högre. Den nya metoden beskrivs i en artikel publicerad i Nature Photonics .

Det är välkänt att elektroner har en negativ laddning; de har också en annan egenskap som kallas spin. Detta kan visa sig vara avgörande för informationsteknologins framsteg. För att uttrycka sig enkelt, vi kan föreställa oss att elektronen roterar runt sin egen axel, liknande det sätt på vilket jorden roterar runt sin egen axel. Spintronics – en lovande kandidat för framtida informationsteknologi – använder denna kvantegenskap hos elektroner för att lagra, bearbeta och överföra information. Detta ger viktiga fördelar, som högre hastighet och lägre energiförbrukning än traditionell elektronik.

Utvecklingen inom spintronik under de senaste decennierna har baserats på användningen av metaller, och dessa har haft stor betydelse för möjligheten att lagra stora mängder data. Det skulle, dock, vara flera fördelar med att använda spintronik baserad på halvledare, på samma sätt som halvledare utgör ryggraden i dagens elektronik och fotonik.

"En viktig fördel med spintronik baserad på halvledare är möjligheten att omvandla informationen som representeras av spinntillståndet och överföra den till ljus, och vice versa. Tekniken är känd som opto-spintronics. Det skulle göra det möjligt att integrera informationsbehandling och lagring baserad på spinn med informationsöverföring genom ljus, säger Weimin Chen, professor vid Linköpings universitet, Sverige, som ledde projektet.

Eftersom elektronik som används idag fungerar vid rumstemperatur och högre, ett allvarligt problem i utvecklingen av spintronik har varit att elektroner tenderar att växla och slumpmässigt slumpa in sin spinnriktning när temperaturen stiger. Detta innebär att informationen som kodas av elektronspintillstånden går förlorad eller blir tvetydig. Det är alltså en nödvändig förutsättning för utvecklingen av halvledarbaserad spintronik att vi kan orientera i stort sett alla elektroner till samma spinntillstånd och bibehålla det, med andra ord att de är spinnpolariserade, vid rumstemperatur och högre temperaturer. Tidigare forskning har uppnått en högsta elektronspinnpolarisation på cirka 60 % vid rumstemperatur, ohållbar för storskaliga praktiska tillämpningar.

Forskare vid Linköpings universitet, Tammerfors universitet och Hokkaido universitet har nu uppnått en elektronspinnpolarisering vid rumstemperatur som är större än 90 %. Spinnpolarisationen förblir på en hög nivå även upp till 110 °C. Detta tekniska framsteg, som beskrivs i Nature Photonics , bygger på en opto-spintronisk nanostruktur som forskarna har konstruerat av lager av olika halvledarmaterial. Den innehåller nanoskaliga regioner som kallas kvantprickar. Varje kvantprick är cirka 10, 000 gånger mindre än tjockleken på ett människohår. När en spinnpolariserad elektron träffar en kvantpunkt, den avger ljus – för att vara mer exakt, den avger en enda foton med ett tillstånd (momentum) som bestäms av elektronspinnet. Således, kvantprickar anses ha en stor potential som gränssnitt för att överföra information mellan elektronspin och ljus, som kommer att vara nödvändigt inom spintronics, fotonik och kvantberäkning. I den nyligen publicerade studien, forskarna visar att det är möjligt att använda ett intilliggande spinnfilter för att fjärrstyra kvantprickarnas elektronspin, och vid rumstemperatur.

Kvantprickarna är gjorda av indiumarsenid (InAs), och ett lager av galliumkvävearsenid (GaNAs) fungerar som ett spinnfilter. Ett lager av galliumarsenid (GaAs) är inklämt mellan dem. Liknande strukturer används redan i optoelektronisk teknik baserad på galliumarsenid, och forskarna tror att detta kan göra det lättare att integrera spintronik med befintliga elektroniska och fotoniska komponenter.

"Vi är mycket glada över att våra långsiktiga ansträngningar för att öka den expertis som krävs för att tillverka högkontrollerade N-innehållande halvledare definierar en ny gräns inom spintronik. Hittills, vi har haft god framgång när vi använder sådana material för optoelektronik, senast inom högeffektiva solceller och laserdioder. Nu ser vi fram emot att fortsätta detta arbete och att förena fotonik och spintronik, använda en gemensam plattform för ljusbaserad och spinnbaserad kvantteknik, säger professor Mircea Guina, chef för forskargruppen vid Tammerfors universitet i Finland.