Ett multidisciplinärt team av UC-forskare är de första att hitta ett innovativt och nytt sätt att kontrollera en elektrons spinnorientering med hjälp av rent elektriska medel.

Deras resultat publicerades nyligen i den prestigefyllda, högprofilerad tidning" Naturens nanoteknik , " i en artikel med titeln "All-Electric Quantum Point Contact Spin-Polarizer."

I årtionden, transistorerna inuti radioapparater, TV-apparater och andra vardagliga elektroniska föremål har överfört data genom att kontrollera rörelsen av en elektrons laddning. Forskare har sedan dess upptäckt att transistorer som fungerar genom att kontrollera en elektrons spin istället för dess laddning skulle använda mindre energi, generera mindre värme och arbeta med högre hastigheter. Detta har resulterat i ett nytt forskningsfält - spinnelektronik eller spintronik - som erbjuder ett av de mest lovande paradigmen för utvecklingen av nya enheter för användning i post-CMOS-eran (komplementär metall-oxid-halvledare).

Tills nu, forskare har försökt utveckla spintransistorer genom att införliva lokala ferromagneter i enhetsarkitekturer. Detta resulterar i betydande designkomplexitet, särskilt med tanke på den ökande efterfrågan på mindre och mindre transistorer, säger Philippe Debray, forskningsprofessor vid institutionen för fysik vid McMicken College of Arts &Sciences. "Ett mycket bättre och praktiskt sätt att manipulera orienteringen av en elektrons spinn skulle vara genom att använda rent elektriska medel, som att slå på och stänga av en elektrisk spänning. Detta kommer att vara spintronik utan ferromagnetism eller helelektrisk spintronik, halvledarspintronikens heliga gral."

Teamet av forskare under ledning av Debray och professor Marc Cahay (Institutionen för elektro- och datateknik) är de första som hittat ett innovativt och nytt sätt att kontrollera en elektrons spinnorientering med hjälp av rent elektriska medel.

"Vi använde en kvantpunktskontakt - en kort kvanttråd - gjord av halvledarindiumarsenid för att generera starkt spinnpolariserad ström genom att ställa in trådens potentiella inneslutning genom förspänningar från grindarna som skapar den, " säger Debray.

I diagrammet till vänster, (Vänster) Svepelektronmikrofotografi av kvantpunktskontakten illustrerar schematiskt opolariserade (spin upp och snurra ner) elektroner som infaller till vänster och kommer ut ur enheten spinnpolariserade med spin upp. (Höger) Rumslig fördelning av spinpolarisation i kvantpunktskontaktförträngningen.

Debray fortsätter, "Nyckelvillkoret för att experimentet ska lyckas är att den potentiella inneslutningen av tråden måste vara asymmetrisk - de tvärgående motsatta kanterna på kvantpunktskontakten måste vara asymmetriska. Detta uppnåddes genom att justera grindspänningarna. Denna asymmetri tillåter elektronerna - tack vare relativistiska effekter — att interagera med sin omgivning via spinn-omloppskoppling och vara polariserad. Kopplingen utlöser spinnpolariseringen och Coulombs elektron-elektroninteraktion förstärker den."

Att styra spinn elektroniskt har stora konsekvenser för den framtida utvecklingen av spinnenheter. Arbetet av Debrays team är det första steget. Nästa experimentella steg skulle vara att uppnå samma resultat vid en högre temperatur med ett annat material som galliumarsenid.

Källa:University of Cincinnati (nyheter:webb)