Санта-Барбара, Калифорния. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) сообщают в выпуске журнала Nature от 6 декабря о первой демонстрации непрерывной электрической перестройки спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах.
Исследовательскую группу из шести человек возглавляет физик Дэвид Авшалом, директор Центра спинтроники и квантовых вычислений. Исследование Авшалома проводится под эгидой Калифорнийского института наносистем (CNSI), многомиллионной государственной инициативы, задуманной губернатором США. Грея Дэвиса развивать науку и технологии, которые будут способствовать экономическому будущему штата. Финансирование исследований Авшалома обеспечивается Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), агентством, которое продвигает спекулятивные, но потенциально новаторские исследовательские проекты.
Приблизительное понимание природы вращения можно почерпнуть по аналогии с орбитами планет Солнечной системы. В этой аналогии электроны вращаются вокруг ядра подобно орбите Земли вокруг Солнца. Подобно тому, как Земля вращается вокруг своей оси во время движения по орбите, электроны обладают свойством вращения, называемым «спин». (т. е. по часовой стрелке или против часовой стрелки).
В то время как магнитные поля обычно используются для манипулирования спинами в знакомых магнитных устройствах, таких как жесткие диски, эта демонстрация электрического управления выровненными спинами представляет собой важный шаг на пути к созданию новых технологий, основанных на спинах. Одной из технологий будущего являются квантовые вычисления, в которых во многих схемах используются состояния спинов электронов в качестве битов информации, аналогичных 0 и 1 в двоичных вычислениях. В отличие от обычных битов, «квантовые биты» могут быть любой комбинацией 0 и 1 одновременно, что соответствует непрерывному диапазону возможных направлений.
Магнитные поля могут изменять направление вращения, вызывая «прецессию», которая представляет собой дополнительное вращение ориентации вращения вокруг магнитного поля, подобное периодическому движению оси волчка после его вращения. В то время как скорость прецессии спина электрона в магнитном поле обычно определяется конкретными используемыми материалами, исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что и скорость, и направление прецессии можно постоянно регулировать, применяя электрические поля в специально спроектированных квантовых структурах.
Сказал Авшалом: «Мы хотели бы электрически манипулировать спином электрона, потому что это мост к масштабируемой технологии. Вся современная электроника на основе заряда использует электрические затворы - сэндвич из электрических пластин - для направления электронов. Мы хотим использовать электрические методы управления современной технологии для изготовления спинового затвора. В этой статье сообщается о спиновых воротах, которые могут заставить электрон двигаться в ту или иную сторону или просто оставаться на месте. И ворота работают при комнатной температуре."
Авшалом называет изобретение затвором, а не переключателем, поскольку он выполняет непрерывную настройку спина электрона. Вместо опций «выключено» и «включено» для переключателя ворота работают в континууме, как, например, свет может быть затемнен с помощью реостата.
Устройство со спиновым затвором состоит из сэндвичей из полупроводниковых материалов, арсенида галлия (GaAs) и алюминия, арсенида галлия (AlGaAs) толщиной всего сто нанометров.
Полупроводниковые гетероструктуры работают, захватывая электроны в «квантовую яму», которая имеет форму квадратного ящика. Хитрость, которую исследовательская группа Авшалома придумала для создания своего устройства, заключалась в том, чтобы использовать квантовую яму параболической формы вместо обычного квадратного ящика.
Десять лет назад коллега Авшалома по UCSB Арт Госсард, профессор электротехники и вычислительной техники, возглавил исследовательскую группу, которая разработала и использовала методы молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для создания полупроводниковых гетероструктур с параболическими квантовыми ямами. Клаус Энслин, в то время постдокторант отдела материалов Калифорнийского университета в Сан-Франциско, описал, как захваченные электроны ведут себя в параболической структуре. В настоящее время Энсслин является профессором физики в Швейцарской высшей технической школе (ETH) в Цюрихе, которая в июне прошлого года заключила соглашение об исследованиях с UCSB.
В UCSB в творческом отпуске из ETH Zurich Энсслин вернулся, чтобы сотрудничать со своим старым наставником Госсардом. Оба помогали исследовательской работе Awschalom и являются авторами статьи в Nature. Двое из трех других авторов связаны с Авшаломом: его постдоктор Джан Салис, первый автор, а теперь постоянный сотрудник IBM в Цюрихе, и его аспирант Юичиро Като работали над измерением устройств. Дэн Дрисколл - аспирант отдела материалов Госсарда, который помогал в изготовлении устройства.
"Эти эксперименты стали возможными благодаря способности наших коллег изготовить специально спроектированные конструкции, - сказал Авшалом."
Почему параболическая квантовая яма обеспечивает электрический контроль спиновой когерентности, а яма в форме коробки - нет?
Салис объяснил: «Математически говоря, когда вы добавляете линию к параболе, парабола смещается, но не меняет форму. Но когда вы добавляете линию к параллелепипеду, вы только искажаете параллелепипед По сути, это то, что происходит, когда мы подаем напряжение к нашему устройству: напряжение наклоняет всю структуру, как будто толкает качели. Поэтому мы использовали два разных полупроводника (GaAs, AlGaAs), чтобы сформировать параболу и уловить Затем мы применили электрическое напряжение, чтобы сместить параболу, и таким образом переместили собравшиеся в яме электроны из одного материала в другой. Эффекты были большими! Мы смогли управлять вращением электрически точно так, как мы думали, что сможем, когда задумывали эксперименты».
«При подаче всего нескольких вольт, - добавил Авшалом, - электроны начинают пробовать разные области пространства, и именно тогда их спин прецессирует быстрее, медленнее или останавливается. Мы выводим электроны из арсенида галлия. в Alumnium Gallium Arsenide постоянно, не меняя своей волновой функции или профиля в пространстве, и это то, что уникально».
Спиновые ворота, обсуждаемые в отчете Nature, являются примером быстро развивающейся области «спинтроники», изучающей электронные устройства, основанные на электронном спине.
Возникает вопрос: что спинтроника может сделать такого, чего не может электроника?
В дополнение к долгосрочной цели квантовых вычислений, спинтроника предлагает краткосрочную возможность революционизировать то, как мы думаем о объединении различных технологий.
«Подумайте об одном комбинированном устройстве, которое объединяет логику, хранилище и связь для вычислений», - сказал Авшалом. «Мы предполагаем использовать смесь оптических, электронных и фотонных технологий для подготовки и обработки информации, основанной на вращении. Спин может храниться в полупроводниках, работать на частотах, во много раз превышающих современные технологии, и работать при комнатной температуре. одна наноструктура. Затем представьте себе миллионы этих наноструктур, работающих вместе в устройстве, маленьком по человеческим меркам. Что будут делать такие устройства, должны определить ученые и инженеры. Но самые захватывающие перспективы - это революционные, а не простые экстраполяции сегодняшних технологий."
В дополнение к приложениям в развивающейся области спинтроники последнее предложение статьи в Nature указывает на возможные успехи в фундаментальной физике с использованием открытий: «Кроме того, большая настраиваемость и подавление расщепления электронного спина предлагает для нового понимания других явлений, таких как ферромагнитные квантовые состояния Холла или динамика электрически инвертированных спиновых популяций через неадиабатический вентиль.«Исследования квантового эффекта Холла очень важны, и его исследователи уже получили две Нобелевские премии по физике. Здесь предлагается новый взгляд на некоторые дразнящие аспекты физики конденсированного состояния.