Forskare har använt elektriska pulser för att manipulera magnetisk information till en polariserad ljussignal, en upptäckt som kan revolutionera optisk telekommunikation på långa avstånd, inklusive mellan jorden och Mars.
Genombrottet, beskrivet i en studie publicerad i Nature , involverar området spintronics, som syftar till att manipulera elektronernas spinn för att lagra och bearbeta information.
Forskarna applicerade en elektrisk puls för att överföra denna spininformation från elektroner till fotoner, partiklarna som utgör ljus, vilket gör att informationen kan transporteras över stora avstånd med stor hastighet. Deras metod uppfyller tre avgörande kriterier – drift i rumstemperatur, inget behov av magnetfält och förmågan till elektrisk kontroll – och öppnar dörren till en rad tillämpningar, inklusive ultrasnabb kommunikation och kvantteknik.
"I decennier har vi drömt om och förutspått rumstemperatur spintroniska enheter bortom magnetoresistens och bara lagra information. Med detta teams upptäckt blir våra drömmar verklighet", säger studiens medförfattare, Igor Žutić, SUNY Distinguished Professor i fysik vid universitetet på Buffalo.
Studien leddes av Jean Lamour-institutet, en gemensam enhet för Frankrikes nationella centrum för vetenskaplig forskning (CNRS) och universitetet i Lorraine. Andra bidragsgivare representerar universitet och institut i Frankrike, Tyskland, Japan, Kina och USA.
Inom spintronik, som har använts framgångsrikt i magnetiska datorhårddiskar, representeras information av elektronspin och, genom dess proxy, magnetiseringsriktningen.
Ferromagneter, såsom järn eller kobolt, har ett ojämnt antal elektroner vars spinn är orienterade antingen längs med eller mot magnetiseringsaxeln. Elektroner med spin längs magnetiseringen färdas smidigt över en ferromagnet, medan de med motsatt spinnorientering studsar runt. Detta representerar binär information, 0 och 1.
Den resulterande förändringen av motståndet är nyckelprincipen för spintroniska enheter, vars magnetiska tillstånd, som kan betraktas som lagrad information, bibehålls på obestämd tid. Precis som en kylskåpsmagnet inte behöver ström för att sitta fast vid dörren, skulle spintronic-enheter kräva mycket mindre ström än konventionell elektronik.
Men, i likhet med att ta en fisk ur vattnet, går spinninformation snabbt förlorad och kan inte resa långt när elektroner tas ut ur ferromagneten. Denna stora begränsning kan övervinnas genom att använda ljus genom dess cirkulära polarisering, även känd som helicitet, som en annan spinnbärare.
Precis som människor för århundraden sedan använde brevduvor för att transportera skriftlig kommunikation längre och snabbare än vad som kunde göras till fots, skulle tricket vara att överföra elektronspin till foton, ljusets kvantum.
Närvaron av spinn-omloppskoppling, som också är ansvarig för spinninformationsförlusten utanför ferromagneten, gör sådan överföring möjlig. Den avgörande felande länken är då att elektriskt modulera magnetiseringen och därigenom ändra heliciteten hos det emitterade ljuset.
"Konceptet med spin-LEDs föreslogs ursprungligen i slutet av förra seklet. Men för övergången till en praktisk tillämpning måste den uppfylla tre avgörande kriterier:drift i rumstemperatur, inget behov av magnetfält och förmågan att elektrisk kontroll", säger studiens motsvarande författare, Yuan Lu, senior CNRS-forskare vid Jean Lamour Institute.
"Efter mer än 15 år av dedikerat arbete inom detta område har vårt samarbetsteam framgångsrikt övervunnit alla hinder."
Forskarna bytte framgångsrikt magnetiseringen av en spinninjektor med en elektrisk puls med hjälp av vridmomentet i rotationsbanan. Elektronens spinn omvandlas snabbt till information som finns i de utsända fotonernas helicitet, vilket möjliggör en sömlös integration av magnetiseringsdynamik med fotonisk teknologi.
Denna elektriskt styrda spin-fotonomvandling uppnås nu i elektroluminescensen hos lysdioder. I framtiden, genom implementering i halvledarlaserdioder, så kallade spin-lasrar, kan denna högeffektiva informationskodning bana väg för snabb kommunikation över interplanetära avstånd eftersom polarisering av ljus kan bevaras i rymdutbredning, vilket potentiellt gör det till snabbaste kommunikationssättet mellan jorden och Mars.
Det kommer också att gynna utvecklingen av olika avancerade teknologier på jorden, såsom optisk kvantkommunikation och beräkning, neuromorfisk beräkning för artificiell intelligens, ultrasnabba och högeffektiva optiska sändare för datacenter eller Light-Fidelity-applikationer (LiFi).
"Förverkligandet av spin-orbit-vridmoment-spinninjektorer är ett avgörande steg som avsevärt kommer att främja utvecklingen av ultrasnabba och energieffektiva spin-lasrar för nästa generation av optisk kommunikation och kvantteknologi", säger medförfattaren Nils Gerhardt, professor vid Chair of Photonics and Terahertz Technology vid Ruhr University i Bochum.
Mer information: Pambiang Abel Dainone et al, Controlling the helicity of light by electrical magnetization switching, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07125-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University at Buffalo
