Genombrott möjliggör spinntronik av halvledare

Framtida informationsteknologi som utnyttjar elektroners spinn för att bearbeta information skulle kunna användas i kvantdatorer. Forskare har länge strävat efter att få spinnbaserad informationsteknlogi att fungera vid rumstemperatur. Nu har forskare från Sverige, Finland och Japan konstruerat en halvledarkomponent där information effektivt kan överföras mellan elektronspinn och ljus vid högre temperaturer.

Bild på experimentell uppställning.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 ChenWeimin 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.Illustration av kvantprickar.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.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

Hur funkar det? Visa/dölj innehåll

Vad är spinntronik?

Spinntronik är elektronik som utnyttjar både elektronernas laddning och deras spinn för att bearbeta och bära information.
Elektronspinn kan liknas vid att elektroner roterar medurs eller moturs runt sin axel, på liknande sätt som jordklotet roterar runt jordaxeln. Riktningen på rotationen kallas uppspinn respektive nerspinn. I dagens elektronik är det elektronladdning som representerar 0 respektive 1 och på så sätt bär information. I spinntronik kan informationen på motsvarande sätt representeras av elektroners spinntillstånd.
I den kvantfysiska världen, kan en elektron ha båda spinnriktningarna samtidigt (och därigenom vara i ett tillstånd som på samma gång är både 0 och 1). Detta, som förstås är otänkbart i den traditionella, ”klassiska” världen, är nyckeln till kvantdatorer.
Spinntronik är därför lovande att använda i utvecklingen av kvantdatorer.

Opto-spinntronik innebär att informationen som representeras med elektronernas spinntillstånd omvandlas till ljus, och vice versa. Ljuset, fotonerna, kan då föra informationen vidare i optiska fibrer, mycket snabbt och över långa avstånd. Elektronens spinntillstånd avgör vilken egenskap ljuset får, eller mer specifikt, om det elektromagnetiska fältet i ljuset kommer att rotera medurs eller moturs runt ljusets färdriktning, ungefär som en korkskruv som kan vara skruvad medurs eller moturs.

Källa: Weimin Chen, professor vid Linköpings universitet
Illustration av nanokomponenten.
I nanostrukturen uppnås över 90 procent elektronspinnpolarisering vid rumstemperatur i en kvantprick, via ett spinnfilter av galliumkvävearsenid (GaNAs). En sådan spinnpolariserad elektron kan avge ljus (planpolariserat, eller kiralt, ljus). Elektronens spinntillstånd avgör om det elektromagnetiska fältet i ljuset kommer att rotera medurs eller moturs runt ljusets färdriktning. Yuqing Huang


Mer om forskningenVisa/dölj innehåll

Mer materialforskning vid LiUVisa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiUVisa/dölj innehåll