I dagens informationsteknologi används ljus och elektronladdning för att bearbeta och överföra information. I jakten på informationsteknologi som är ännu snabbare, mindre och mer energisnål, undersöker forskare runt om i världen möjligheten att utnyttja en annan egenskap hos elektroner, nämligen deras spinn. Elektronik som utnyttjar både elektronens spinn och dess laddning kallas ”spinntronik”.Weimin Chen. Foto: Peter Modin
På ett liknande sätt som hur jordklotet snurrar runt sin egen axel kan elektroners spinn liknas vid att de roterar medurs eller moturs runt sin axel. Riktningen på rotationen kallas uppspinn respektive nerspinn. I spinntronik kan dessa båda tillstånd representera 0 och 1 och på så sätt bära information, på motsvarande sätt som elektronladdningen bär information i dagens elektronik. Informationen som kodas med elektronernas spinntillstånd kan i princip omvandlas till ljus av en ljuskälla, så att informationen kan skickas över långa avstånd i exempelvis optiska fiber. Möjligheten att på så sätt överföra kvantinformation öppnar upp för framtida informationsteknologi som använder både elektronspinn och ljus, och interaktionen mellan dem, så kallad ”opto-spinntronik”.
Rumstemperatur ställer till problem
Informationsöverföringen i opto-spinntronik bygger på principen att elektronens spinntillstånd, alltså uppspinn eller nerspinn, avgör egenskaperna hos ljuset som avges.Illustration av omvandling av elektronens spinnriktning till riktningen på cirkulärt polariserat ljus. Elektronens spinntillstånd i nanopelaren avgör om det elektromagnetiska fältet i ljuset kommer att rotera medurs eller moturs runt ljusets färdriktning. Bild: Yuqing Huang
Forskarna vill använda cirkulärt polariserat ljus, i vilket det elektromagnetiska fältet roterar antingen medurs eller moturs runt ljusets färdriktning. Riktningen på ljusets elektriska fält avgörs av elektronens spinn. Men det finns en hake.
– Det största problemet är att elektroner lätt växlar spinn vid högre temperaturer. En viktig aspekt för framtida tillämpningar av opto-spinntronik är att effektiv överföring av kvantinformation behöver kunna ske i rumstemperatur, men vid rumstemperatur är elektronernas spinn nästan slumpmässigt riktad. Det innebär att informationen som kodats med elektronernas spinn förloras eller blir alltför otydlig för att kunna omvandlas på ett tillförlitligt sätt till distinkt cirkulärt polariserat ljus, säger Weimin Chen vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM.
Weimin Chen och hans kollegor har tillsammans med forskare vid Kungliga Tekniska Högskolan designat en effektiv gränsyta mellan spinn och ljus. Forskarna presenterar sin metod i en artikel i Nature Communications.
– Gränsytan bevarar, och till och med förstärker, elektronernas spinnsignal vid rumstemperatur. Dessutom kan den omvandla dessa spinnsignaler till motsvarande signaler av cirkulärt polariserat ljus som färdas i en önskad riktning, säger Weimin Chen.
Små fel ger rätt signal
Den viktigaste delen i komponenten är extremt små skivor av galliumkvävearsenid, GaNAs.Mikroskopibild av de skorstensformade nanopelarna. Bild: Shula Chen
Skivorna är bara ett par nanometer höga och staplade på varandra med ett tunt lager galliumarsenid (GaAs) mellan sig, så att de bildar skorstensformade nanopelare. Som en jämförelse är diametern på ett hårstrå ungefär tusen gånger större än nanopelaren.
Den föreslagna komponentens unika förmåga att förstärka spinnsignaler beror på minimala defekter som forskarna har introducerat i materialet. Färre än en per en miljon galliumatomer förskjuts från sina bestämda platser i materialets kristallstruktur. Defekterna som då uppstår i materialet fungerar som effektiva spinnfilter som kan filtrera bort elektroner med ”fel” spinntillstånd och bevara dem som har den önskade spinnriktningen.
– En viktig fördel med nanopelardesignen är att ljuset enkelt kan ledas och kopplas in och ut mer effektivt, säger Shula Chen, artikelns huvudförfattare.
Forskarna hoppas att komponentkonceptet som de föreslår ska inspirera till nya designer av gränsytor mellan spinn och ljus, som kan få användning inom framtida opto-spinntroniktillämpningar.
Forskningen har finansierats med stöd av Vetenskapsrådet, regeringens strategiska satsning på avancerade funktionella material (AFM) vid Linköpings universitet, och Energimyndigheten.
Artikeln: “Room-temperature polarized spin-photon interface based on a semiconductor nanodisk-in-nanopillar structure driven by few defects”, Shula Chen, Yuqing Huang, Dennis Visser, Srinivasan Anand, Irina A. Buyanova och Weimin M. Chen. Nature Communications 9, 3575 (2018), publicerad online 3 september 2018, doi: 10.1038/s41467-018-06035-1
Irina Buyanova, Shula Chen, Yuqing Huang och Weimin Chen. Foto: Roman Balagula
