Forskare från Linköpings universitet och Kungliga Tekniska Högskolan i Sverige har föreslagit ett nytt enhetskoncept som effektivt kan överföra information som bärs av elektronspin till ljus i rumstemperatur – ett språngbräda mot framtida informationsteknologi. De presenterar sitt förhållningssätt i en artikel i Naturkommunikation .

Ljus och elektronladdning är de viktigaste medierna för informationsbearbetning och överföring. I sökandet efter informationsteknologi som är ännu snabbare, mindre och mer energieffektiv, forskare runt om i världen undersöker en annan egenskap hos elektroner - deras spinn. Elektronik som utnyttjar både spinnet och elektronens laddning kallas "spintronik".

Som jorden, en elektron snurrar runt sin egen axel, antingen medurs eller moturs. Rotationens handenhet kallas för spin-up och spin-down tillstånd. Inom spintronik, de två tillstånden representerar de binära bitarna och bär således information. Informationen som kodas av dessa spinntillstånd kan omvandlas av en ljusemitterande enhet till ljus, som sedan bär informationen över en lång sträcka genom fiberoptik. Överföringen av kvantinformation öppnar möjligheten att utnyttja både elektronspin och ljus, och samspelet mellan dem, en teknik som kallas "opto-spintronics".

Informationsöverföringen inom opto-spintronik bygger på principen att elektronens spintillstånd bestämmer egenskaperna hos det emitterade ljuset. Mer specifikt, det är kiralt ljus, där det elektriska fältet roterar antingen medurs eller moturs sett i ljusets färdriktning. Det elektriska fältets rotation bestäms av elektronens rotationsriktning. Men det finns en hake.

"Huvudproblemet är att elektroner lätt förlorar sin rotationsorientering när temperaturen stiger. En nyckelfaktor för framtida spin-light-applikationer är effektiv överföring av kvantinformation vid rumstemperatur, men vid rumstemperatur, elektronspinorienteringen är nästan randomiserad. Detta innebär att informationen som kodas i elektronspinningen går förlorad eller för vag för att på ett tillförlitligt sätt omvandlas till dess distinkta kirala ljus, säger Weimin Chen vid institutionen för fysik, Kemi och biologi, IFM, vid Linköpings universitet.

Nu, forskare från Linköpings universitet och Kungliga Tekniska Högskolan har tagit fram ett effektivt spin-light-gränssnitt.

"Detta gränssnitt kan inte bara upprätthålla och till och med förbättra elektronspinsignalerna vid rumstemperatur. Det kan också omvandla dessa spinnsignaler till motsvarande kirala ljussignaler som färdas i en önskad riktning, säger Weimin Chen.

Nyckelelementet i enheten är extremt små skivor av galliumkvävearsenid, GaNAs. Skivorna är bara ett par nanometer höga och staplade på varandra med ett tunt lager galliumarsenid (GaAs) mellan för att bilda skorstensformade nanopelare. För jämförelse, diametern på ett människohår är ungefär tusen gånger större än diametern på nanopelarna.

Den unika förmågan hos den föreslagna enheten att förbättra spin-signaler beror på minimala defekter som introducerats i materialet av forskarna. Färre än en av en miljon galliumatomer förskjuts från sina angivna gitterplatser i materialet. De resulterande defekterna i materialet fungerar som effektiva spinnfilter som kan dränera elektroner med en oönskad spin-orientering och bevara de med önskad spin-orientering.

"En viktig fördel med nanopelardesignen är att ljus kan styras enkelt och mer effektivt kopplat in och ut, " säger Shula Chen, artikelns första författare.

Forskarna hoppas att deras föreslagna enhet kommer att inspirera till ny design av spin-light-gränssnitt, som lovar mycket för framtida opto-spintronics-tillämpningar.