Experimentell uppställning som liknar den som forskarna använt. Foto Thor Balkhed
De flesta känner till att elektroner har negativ laddning, men de har också en annan egenskap, nämligen spinn. Elektronspinn har potential att bidra till utvecklingen av informationsteknologi. Förenklat kan vi föreställa oss spinn som att elektronen roterar kring sin axel, ungefär som jordklotet snurrar runt sin egen axel. Spinntronik är en lovande kandidat för framtida informationsteknologi, som utnyttjar denna kvantegenskap hos elektroner för att lagra, bearbeta och överföra information. Det för med sig flera viktiga fördelar, som högre hastighet och lägre energiförbrukning jämfört med traditionell elektronik.
De senaste decennierna har utvecklingen av spinntronik som baseras på metaller haft stor betydelse för möjligheterna att lagra stora mängder data. Men det skulle finnas flera fördelar med att ta fram spinntronik som bygger på halvledarmaterial, på samma sätt som halvledarteknologi utgör ryggraden i dagens elektronik och fotonik.Weimin Chen Foto Peter Modin
– En viktig fördel med spinntronik baserad på halvledare är potentialen att omvandla informationen som representeras av spinntillståndet och överföra den till ljus, och vice versa. Sådan teknologi kallas opto-spinntronik. Det skulle göra det möjligt att integrera spinnbaserad informationsbearbetning och -lagring med optisk informationsöverföring, säger Weimin Chen, professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM) vid Linköpings universitet, som har lett studien som publiceras i Nature Photonics.
Temperaturen ställer till det
En hake är att dagens elektronik används i rumstemperatur och varmare. Ett rejält hinder på vägen i utvecklingen av spinntronik har varit att elektronerna tenderar att slumpmässigt växla spinnriktning när temperaturen stiger, så att informationen som kodats med elektronernas spinntillstånd förloras eller blir otydlig. En förutsättning för utveckling av spinntronik baserad på halvledarmaterial är därför att vi kan orientera i princip alla elektroner i samma spinntillstånd och behålla dem så, det vill säga att elektronerna är spinnpolariserade vid rumstemperatur och varmare. Tidigare forskning har uppnått som högst 60 procent elektronspinnpolarisering.Kvantprickarna i opto-spinntronikstrukturen som forskarna har utvecklat består av indiumarsenid (InAs). Varje kvantprick är runt 10 000 gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå. Foto Yuqing Huang
Nu har forskare vid Linköpings universitet, Tampere University och Hokkaido University lyckats uppnå över 90 procent elektronspinnpolarisering vid rumstemperatur. Spinnpolariseringen förblir hög upp till 110 °C. Grunden för framsteget är den nanostruktur som forskarna har konstruerat av lager av olika halvledarmaterial (se beskrivning under artikeln). Denna opto-spinntronikstruktur innehåller områden i nanoskala som kallas kvantprickar. Varje kvantprick är runt 10 000 gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå. När kvantpricken träffas av en elektron avger den ljus, eller mer specifikt en enskild foton vars tillstånd bestäms av elektronens spinn. Kvantprickar anses därför ha stor potential som gränssnitt för att överföra information mellan elektronspinn och ljus i spinntronik, fotonik och kvantdatorer. I den aktuella studien visar forskarteamet att kvantprickens elektronspinn kan styras på avstånd med ett spinnfilter, och vid rumstemperatur.
Välkända material
Kvantprickarna består av indiumarsenid (InAs) och ett lager av galliumkvävearsenid (GaNAs) fungerar som spinnfilter. Mellan dem är ett lager av galliumarsenid (GaAs). Liknande strukturer används redan i optoelektronik baserad på galliumarsenid, och forskarna menar att det kan underlätta integrationen av spinntronik med befintliga elektroniska och fotoniska komponenter.
– Vi är väldigt glada över att våra långsiktiga ansträngningar att öka den kunskap som krävs för att skapa välkontrollerade kvävebaserade halvledare flyttar fram gränsen för spinntronik. Hittills har vi lyckats bra med att använda sådana material i optoelektronik, som högeffektiva solceller och laserdioder. Nu ser vi fram emot att fortsätta det här arbetet och att förena fotonik och spinntronik med en gemensam plattform för ljusbaserad och spinnbaserad informationsteknik, säger professor Mircea Guina, som leder forskargruppen vid Tampere University i Finland.Weimin Chen, Irina Buyanova och Yuqing Huang. Foto Peter Modin
Forskningen har finansierats med stöd av bland annat Vetenskapsrådet, Stiftelsen för internationalisering av högre utbildning och forskning (STINT), regeringens strategiska satsning Avancerade funktionella material vid Linköpings universitet, Europeiska forskningsrådet ERC, Academy of Finland och Japan Society for the Promotion of Science.
Artikel: “Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering”, Yuqing Huang, Ville Polojärvi, Satoshi Hiura, Pontus Höjer, Arto Aho, Riku Isoaho, Teemu Hakkarainen, Mircea Guina, Shino Sato, Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova och Weimin M. Chen, (2021), Nature Photonics, publicerad online den 8 april 2021, doi: 10.1038/s41566-021-00786-y
