För första gången, fysiker har visat att information kan flöda genom en diamanttråd. I experimentet, elektroner flödade inte genom diamant som de gör i traditionell elektronik; snarare, de stannade på plats och passerade längs en magnetisk effekt som kallas "snurr" till varandra längs tråden - som en rad sportåskådare som gör "vågen".

Spin skulle en dag kunna användas för att överföra data i datorkretsar - och detta nya experiment, gjort vid Ohio State University, visade att diamant överför spinn bättre än de flesta metaller där forskare tidigare har observerat effekten.

Forskare världen över arbetar med att utveckla så kallad "spintronik, " vilket kan göra datorer snabbare och kraftfullare samtidigt.

Diamond har mycket att göra när det kommer till spintronics, sa huvudutredaren Chris Hammel, Ohio Eminent Scholar i experimentell fysik vid Ohio State. Det är svårt, transparent, elektriskt isolerande, ogenomtränglig för miljöföroreningar, resistent mot syror, och håller inte värmen som halvledare gör.

"I grund och botten, det är inert. Du kan inte göra något åt ​​det. Till en vetenskapsman, diamanter är lite tråkiga, om du inte förlovar dig, ", sa Hammel. "Men det är intressant att tänka på hur diamant skulle fungera i en dator."

Prislappen för diamanttråden nådde inte proportioner för förlovningsringen, Hammel bekräftade. Det kostade bara 100 dollar, eftersom den var gjord av syntet, snarare än naturligt, diamant.

Fynden här representerar det första mycket lilla steget på en mycket lång väg som en dag kan leda till diamanttransistorer.

Men utöver det, denna upptäckt kan förändra hur forskare studerar spinn, sa Hammel.

Fyndet visas i numret av den 23 mars av tidskriften Naturens nanoteknik .

Elektroner uppnår olika spinntillstånd beroende på i vilken riktning de snurrar - upp eller ner. Hammels team placerade en liten diamanttråd i ett magnetisk resonanskraftmikroskop och upptäckte att spinntillstånden inuti tråden varierade enligt ett mönster.

"Om den här tråden var en del av en dator, det skulle överföra information. Det råder ingen tvekan om att du skulle kunna säga längst bort på tråden vad spinntillståndet för den ursprungliga partikeln var i början, " han sa.

I vanliga fall, diamant kunde inte spinna alls, eftersom dess kolatomer är sammanlåsta, med varje elektron fast fäst vid en angränsande elektron. Forskarna var tvungna att så tråden med kväveatomer för att det skulle finnas oparade elektroner som kunde snurra. Tråden innehöll bara en kväveatom för varje tre miljoner diamantatomer, men det räckte för att tråden skulle kunna bära spinn.

Experimentet fungerade eftersom fysikerna i Ohio State kunde observera elektronspin i mindre skala än någonsin tidigare. De fokuserade magnetfältet i sitt mikroskop på enskilda delar av tråden, och fann att de kunde upptäcka när spinn passerade genom dessa delar.

Tråden mätte bara fyra mikrometer lång och 200 nanometer bred. För att se inuti den, de ställer in magnetspolen i mikroskopet för att slås på och av under små bråkdelar av en sekund, genererar pulser som skapade 15-nanometer (cirka 50-atomer) breda ögonblicksbilder av elektronbeteende. De visste att spinn flödade genom diamanten när en magnet på en delikat konsol flyttade små mängder när den alternativt attraherades eller stöttes bort av atomerna i tråden, beroende på deras spin-tillstånd.

Ännu mer överraskande var att spinntillstånden varade dubbelt så länge nära änden av tråden än i mitten. Baserat på vanliga experiment, fysikerna förväntar sig att spinntillstånden ska vara lika länge, oavsett var mätningen gjordes. I detta fall, spinntillstånd inuti tråden varade i cirka 15 millisekunder, och mot slutet varade de i 30 millisekunder.

Hammels team misstänker att de kunde bevittna denna nya effekt delvis på grund av hur nära de kunde zooma in på tråden. När de fokuserade sitt lilla observationsfönster på spetsen av tråden, de såg spinn som flödade i den enda riktning den kunde flöda:in i tråden. När de panorerade längs tråden för att observera mitten, "fönstret" tömdes på snurr dubbelt så snabbt, eftersom spinntillstånden kan flöda i båda riktningarna – in i och ut ur tråden.

"Det är en dramatiskt enorm effekt som vi inte förutsåg, sa Hammel.

Upptäckten utmanar hur forskare har studerat spinn under de senaste 70 åren, Hammel förklarade.

"Det faktum att spinn kan röra sig så här betyder att det konventionella sättet som världen mäter spindynamiken på makroskopisk nivå måste omprövas - det är faktiskt inte giltigt, " han lade till.

Konventionella experiment har inte den fina upplösningen att titta inuti föremål som är så små som tråden som används i denna studie, och så kan bara se på sådana objekt som en helhet. Under dessa omständigheter, forskare kan bara detektera det genomsnittliga spinntillståndet:hur många elektroner i provet pekar uppåt, och hur många pekar ner. Forskare skulle inte veta skillnaden om ett fåtal elektroner i en del av provet vände från ner till upp, och en annan del vände från upp till ner, eftersom det genomsnittliga antalet snurr förblir detsamma.

"Det är inte genomsnittet vi vill ha, " sa Hammel. "Vi vill veta hur mycket snurren varierar, och vad är livslängden för ett visst spinntillstånd."

Det är skillnaden mellan att veta att i genomsnitt en fjärdedel av alla åskådare på en stadion står vid varje enskilt tillfälle, och att veta att enskilda människor står och sitter i ett mönster som är tidsinställt för att bilda "vågen".

Ingen kunde se snurrarna i diamant tidigare, men detta experiment visade att diamant kan transportera spinn på ett organiserat sätt, bevara spinntillståndet – och, Således, bevara information.

Fysikerna var tvungna att kyla ned tråden till 4,2 Kelvin (cirka -452 grader Fahrenheit eller -269 grader Celsius) för att sakta ner snurrarna och för att tysta sin känsliga detektor tillräckligt för att göra dessa få snurr detekterbara. Många framsteg skulle behöva göras innan effekten kunde utnyttjas vid rumstemperatur.