Sciencemag.cz
Doporučujeme
Výzkumné oddělení IBM dokázalo jako první na světě synchronizovat spin elektronů a nabídnout přímé zobrazení vytvoření perzistentní spinové spirály (persistent spin helix) v polovodiči.
Spintronika by mohla vést ke vzniku nové třídy magnetických polovodičů, které by našly využití v energeticky úspornějších elektronických zařízeních. Na výzkumu se IBM podílela s vědci z přední curyšské univerzity ETH.
Až doteď nebylo jasné, zda spin elektron disponuje schopností zachovávat kódované informace dostatečně dlouhou dobu před začátkem rotace. Experti IBM Research a laboratoře pevných látek ETH v Curychu však v odborném časopise Nature Physics popsali, že synchronizace elektronů prodlužuje dobu života spinu elektronu třicetkrát, na 1,1 nanosekundy, tedy na stejnou dobu, jakou je takt stávajících procesorů o frekvenci 1 GHz.
Současná výpočetní technologie kóduje a zpracovává data prostřednictvím elektrického náboje elektronů. Nicméně tato technika má jistá omezení. Rozměry polovodičů se zmenšují, a to do té míry, že tok elektronů již nelze kontrolovat. Právě tento problém může vyřešit spintronika tím, že namísto náboje elektronů bude kontrolovat jejich spin. Nový objev ve spintronice nejenže poskytne vědcům nebývalou kontrolu nad magnetickým pohybem uvnitř přístroje, ale rovněž otevírá nové možnosti pro výrobu energeticky úspornějších elektronických zařízení.
Valčík v rytmu spintroniky
Popsaný fyzikální jev byl dlouhou dobu neznámý. Vědcům se podařilo vypozorovat, jak se elektrony ve svém spinu pohybují v polovodiči o desítky mikrometrů. Jejich orientace se přitom synchronně otáčí podél dráhy podobně jako páry při slavném valčíku ve Vídeňské opeře.
Dr. Gian Salis z výzkumné skupiny pro nano-systémy IBM Research z Curychu vysvětluje: „Pokud všechny páry vyjdou z postavení, kdy se ženy budou dívat na sever, za nějakou chvíli se rotující páry ocitnou ve zcela opačném směru. Nyní dokážeme pevně svázat rychlost rotace tanečníků a směr, jímž se pohybují. Výsledkem je dokonalá choreografie, kdy jsou všechny ženy v určitém prostoru natočeny stejným směrem. Tato schopnost spinem manipulovat a zároveň jej pozorovat představuje významný krok ve vývoji elektricky programovatelných tranzistorů postavených na bázi spintroniky.“
Jak to funguje
Vědci v IBM použili velmi krátké laserové pulzy ke sledování vývoje tisíců elektronových spinů, které byly vytvořeny současně ve velmi malé oblasti. Proti očekávání, kdy se spiny náhodně otáčejí a rychle ztrácejí svou původní orientaci, bylo poprvé pozorováno, jak se spiny úhledně řadí do pravidelných pruhovaných vzorů, tzv. perzistentní spinové spirály. Koncept zamykání spinové rotace byl původně navržen v teorii z roku 2003 a od té doby některé experimenty naznačovaly takové chování, ale dosud nebylo nikdy přímo pozorováno.
Experti IBM dokázali zachytit synchronní „valčík“ elektronových spinů díky časově rozlišené řádkovací mikroskopii. Synchronizace rotace elektronového spinu umožnila sledovat cestu spinů plných 10 mikrometrů, čili jednu setinu milimetru, díky čemuž se zvýšila možnost využití spinu pro rychlé a energeticky účinné zpracovávání logických informací.
K synchronizaci pohybů spinu dochází díky pečlivě připravené spin-orbitální interakci, což je fyzikální mechanismus spojující spin elektronu s jeho pohybem. Vědci z curyšské ETH vyvinuli polovodičový materiál nazvaný arsenid gallitý (GaAs), III/V polovodič běžně používaný při výrobě zařízení jako jsou polovodičové obvody, infračervené svítivé diody a vysoce účinné solární panely.
Velkým úkolem stále zůstává převést spintroniku z laboratoře do světa elektroniky. V současné době probíhá řada experimentů při velmi nízkých teplotách, kdy spiny elektronů jen velmi málo interagují s okolím. V případě tohoto konkrétního pokusu pracovali vědci při teplotě 40 Kelvinů (-233 °C).
