På liknande sätt som jordklotet snurrar runt sin egen axel kan elektroners spinn liknas vid att de roterar medurs eller moturs. ”Spinntronik” är elektronik som utnyttjar både elektronens spinn och dess laddning. Än så länge är tillämpningarna begränsade och tekniken används främst i en del hårddiskar. Bland fördelarna med spinntronik jämfört med traditionell elektronik finns lägre energiförbrukning och högre hastighet.
När det gäller förmågan att leda elektricitet delas naturliga material in i tre kategorier: ledare, halvledare och isolatorer. Forskare har nyligen upptäckt ett exotiskt materietillstånd, topologiska isolatorer, som är en isolator inuti men en ledare på ytan. En av de mest slående egenskaperna hos topologiska isolatorer är att en elektron måste färdas i en specifik riktning längs materialets yta, och den riktningen bestäms av elektronens spinn.
– Ytan på en topologisk isolator är som en välorganiserad motorväg för elektroner, där elektroner med spinn i en riktning färdas åt ett håll, medan elektroner med motsatt spinn färdas åt det andra hållet. De kan färdas snabbt i sin bestämda riktning utan att krocka och utan att förlora energi, säger Yuqing Huang, doktorand vid institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM, vid Linköpings universitet.
Egenskaperna bidrar till att topologiska isolatorer anses lovande för användning i spinntronik. Men en central fråga är hur man ska alstra och manipulera strömmen på topologiska isolatorers yta.
Bättre kontroll
Forskarlaget bakom den aktuella studien, som publiceras i tidskriften Nature Communications, har nu tagit ett första steg mot att överföra elektroner med samma spin mellan en topologisk isolator och en vanlig halvledare.
De skapade elektroner med samma spinn i galliumarsenid, GaAs, en halvledare som ofta används i elektronik. Detta gjorde de genom att använda cirkulärt polariserat ljus, i vilket det elektromagnetiska fältet roterar antingen medurs eller moturs runt ljusets färdriktning. De spinn-polariserade elektronerna kunde sedan överföras från GaAs till en topologisk isolator, och där alstra en riktad elektrisk ström på ytan. Forskarna kunde styra riktningen på elektronernas spinn, och även riktningen och styrkan på strömmen i den topologiska isolatorn vismuttellurid, Bi2Te3. Den här flexibiliteten har enligt forskarna inte funnits tidigare. Forskarna kunde kontrollera strömmen utan att tillföra elektrisk spänning, vilket belyser möjligheten till effektiv omvandling från ljusenergi till elektricitet.
– Det som är riktigt intressant är att GaAs som vi har använt här är en välkänd halvledare som används mycket i dag, i mobiltelefoner, solceller och optiska detektorer. Att integrera GaAs med topologiska isolatorer skulle ge en möjlighet att fullt ut dra nytta av fördelarna hos en av de mest mogna halvledarteknologierna, säger professor Irina Buyanova, en av forskarna bakom studien.
Fynden har betydelse för design av nya spinntronikkomponenter som bygger på interaktion mellan materia och ljus, så kallad opto-spinntronik.
– Vi kombinerar de överlägsna optiska egenskaperna hos GaAs med de unika elektriska egenskaperna hos en topologisk isolator. Det här har gett oss nya idéer kring att utveckla opto-spinntronik som kan användas för effektiv och robust lagring, överföring och bearbetning av information i framtida informationsteknologier, säger professor Weimin Chen, som har lett studien.
Forskningen gjordes i samarbete med forskare vid Chinese Academy of Sciences i Shanghai. Den finansierades med stöd av bland annat Vetenskapsrådet, regeringens strategiska satsning på avancerade funktionella material (AFM) vid Linköpings universitet, Stiftelsen för strategisk forskning och Natural Science Foundation of China.
Publikation:Spin injection and helicity control of surface spin photocurrent in a three dimensional topological insulator, Y.Q. Huang, Y.X. Song, S.M. Wang, I.A. Buyanova, W.M. Chen, Nature Communications, 8, publicerad online 22 maj 2017, doi: 10.1038/ncomms15401
