211service.com
Świetlana przyszłość dla spintroniki
Chęć zbudowania mniejszej, szybszej i tańszej elektroniki skłoniła wielu badaczy do spróbowania wykorzystania spinu elektronu w tranzystorach. Te tranzystory spintroniczne mogą być bardzo energooszczędne i wykonywać więcej obliczeń niż tradycyjne tranzystory na mniejszej przestrzeni. Ponadto w zastosowaniach optoelektronicznych lasery i diody elektroluminescencyjne wykorzystujące spin elektronów mogą zwiększyć zdolność światła do przenoszenia danych.
Jednak jedną z kluczowych przeszkód w tej rozwijającej się dziedzinie jest to, że materiały magnetyczne i półprzewodnikowe potrzebne do wykonania urządzenia spintronicznego są notorycznie niezgodne.
Teraz naukowcy z Ohio University i Ohio State University opracowali system półprzewodników magnetycznych, który na podstawie wstępnych testów wygląda na postęp. Artur Smith , profesor fizyki na Ohio University, wraz z kolegami z powodzeniem wyhodowali mangan, gal, metal magnetyczny, na azotku galu, powszechnym półprzewodniku używanym do wytwarzania niebieskich laserów i diod LED oraz do wzmacniania sygnałów o częstotliwości radiowej.
Naukowcy twierdzą, że odstępy między atomami w warstwach materiału są niemal idealne, tworząc gładką granicę między warstwami, a tym samym zwiększając szanse na wyprodukowanie sprawnego urządzenia spintronicznego. Bez czystego interfejsu, mówi Smith, kiedy elektrony przechodzą przez barierę między metalem a półprzewodnikiem, mogą stracić swój pierwotny spin, niszcząc urządzenie. Co więcej, ich nowy system zachowuje swoje właściwości magnetyczne w temperaturze pokojowej, mówi Smith. Wiele potencjalnych materiałów spintronicznych działa dobrze tylko w ekstremalnie niskich temperaturach, chociaż ostatnie odkrycia doprowadziły do powstania niektórych materiałów w temperaturze pokojowej (patrz A New Spin on Computing ).
Chociaż potrzebne są dalsze testy, aby potwierdzić, że elektrony utrzymają swoje właściwości spinowe podczas przechodzenia z metalu do półprzewodnika, Smith twierdzi, że te wczesne testy są zachęcające. Uważamy, że jest duża szansa, że zadziała całkiem nieźle – mówi.
Układy elektroniczne wykorzystujące spin elektronu – kwantową właściwość mechaniczną występującą w dwóch odmianach: w górę lub w dół – działałyby podobnie do dzisiejszych tranzystorów, ale mają kilka zalet. Obecnie za funkcje logiczne w obwodach odpowiada sam prąd elektryczny. Prąd płynący przez tranzystor reprezentuje 1; brak prądu, 0. Jeśli spin elektronu może być kontrolowany, spin elektronu może reprezentować 1, a spin w dół 0.
W przeciwieństwie do prądu elektrycznego, wirowanie można utrzymać, nawet jeśli zasilanie jest wyłączone, a obwód spintroniczny zużywałby mniej energii, ponieważ prąd nie musiałby być stale przykładany. Właśnie dlatego firmy takie jak Freescale Semiconductor badają pamięć półprzewodnikową opartą na spinie (patrz Lepszy układ pamięci).
Drugą zaletą jest to, że wykorzystanie spinu może dodatkowo zwiększyć zdolność elektronów do przechowywania i przesyłania informacji, skutecznie przyspieszając działanie mikroprocesorów.
Smith twierdzi jednak, że aplikacje elektroniczne mogą być dla jego systemu daleką przyszłością; zamiast tego najlepiej nadaje się do zastosowań optoelektronicznych, takich jak lasery i diody LED.
W szczególności wyjaśnia, spin elektronów w laserze półprzewodnikowym może wpływać na fotony emitowane przez te urządzenia: elektron o określonym spinie może wytworzyć foton o odpowiednim spinie, co skutkuje spolaryzowanym światłem. Polaryzacja – ogólna orientacja fal świetlnych – może zostać wykorzystana do dodania kolejnej warstwy danych do światła wykorzystywanego w telekomunikacji. Obecnie informacje są kodowane poprzez regulację częstotliwości i fazy światła; kodowanie polaryzacyjne mogłoby zatem zwiększyć pojemność linii optycznych.
Nowatorskie materiały naukowców z Ohio mają dobre właściwości, dlatego system może być kandydatem do zastosowań optycznych, mówi Kannan Krishnan , profesor materiałoznawstwa na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle. Chociaż grupa nie zbudowała rzeczywistych urządzeń, mówi, że jest to bardzo obiecujące.
Chris Palmstrom, profesor inżynierii chemicznej i materiałoznawstwa na University of Minnesota, mówi, że praca jest pierwszą, w której wyhodowano materiał magnetyczny na azotku galu. Mimo to, jak mówi, naukowcy muszą udowodnić, że mogą coś z tym zrobić.
Udowodnienie, że system będzie działał w rzeczywistym urządzeniu, to kolejny krok dla naukowców. Smith mówi, że najprawdopodobniej przetestują jego właściwości emitujące światło, aby określić, jak dobrze spin elektronów w materiale magnetycznym przekłada się na światło spolaryzowane.