I ricercatori hanno mostrato come creare una "batteria spin" ricaricabile fatta di materiali chiamati isolanti topologici, un passo verso la costruzione di nuovi dispositivi spintronici e computer quantistici.

A differenza dei materiali ordinari che sono isolanti o conduttori, gli isolanti topologici sono entrambi allo stesso tempo - sono isolanti all'interno ma conducono elettricità sulla superficie. I materiali potrebbero essere utilizzati per dispositivi spintronici e computer quantistici più potenti delle tecnologie odierne.

Si può pensare che gli elettroni abbiano due stati di spin:su o giù, e un fenomeno noto come sovrapposizione consente agli elettroni di trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente. Tale proprietà potrebbe essere sfruttata per eseguire calcoli utilizzando le leggi della meccanica quantistica, rendendo i computer molto più veloci dei computer convenzionali in determinate attività.

Gli elettroni conduttori sulla superficie degli isolanti topologici hanno una proprietà chiave nota come "blocco del momento di spin, " in cui la direzione del movimento degli elettroni determina la direzione del suo spin. Questo spin potrebbe essere utilizzato per codificare o trasportare informazioni utilizzando le direzioni verso il basso o verso l'alto per rappresentare 0 o 1 per l'elaborazione e il calcolo delle informazioni basate sullo spin, o spintronica.

"A causa del blocco dello spin-momento, puoi far allineare o "bloccare" la rotazione degli elettroni in una direzione se fai passare una corrente attraverso il materiale isolante topologico, e questo è un effetto molto interessante, " ha detto Yong P. Chen, un professore di fisica e astronomia della Purdue University e ingegneria elettrica e informatica e direttore del Purdue Quantum Center.

L'applicazione di una corrente elettrica al materiale induce una "polarizzazione di spin" degli elettroni che potrebbe essere utilizzata per la spintronica. ordinariamente, la corrente deve rimanere accesa per mantenere questa polarizzazione. Però, in nuove scoperte, I ricercatori della Purdue sono i primi a indurre una polarizzazione dello spin degli elettroni di lunga durata della durata di due giorni anche quando la corrente è disattivata. La polarizzazione dello spin dell'elettrone viene rilevata da una sonda di tensione magnetica, che funge da voltmetro sensibile allo spin in una tecnica nota come "potenziometria di spin".

Le nuove scoperte sono dettagliate in un documento di ricerca apparso il 14 aprile sulla rivista Progressi scientifici . L'esperimento è stato condotto dal ricercatore associato Jifa Tian.

"Una tale polarizzazione di spin persistente controllata elettricamente con una durata senza precedenti potrebbe consentire una batteria di spin ricaricabile e una memoria di spin riscrivibile per potenziali applicazioni nella spintronica e nei sistemi di informazione quantistica, " ha detto Tian.

Questa "corrente di scrittura" potrebbe essere paragonata alla registrazione degli uni e degli zeri nella memoria di un computer.

"Però, un analogo migliore è quello di una batteria, " Chen ha detto. "La corrente di scrittura è come una corrente di carica. È lento, proprio come caricare il tuo iPhone per un'ora o due, e quindi può erogare potenza per diversi giorni. Questa è l'idea simile. Ricarichiamo questa batteria di spin usando questa corrente di scrittura in mezz'ora o un'ora e poi gli spin rimangono polarizzati per due giorni, come una batteria ricaricabile."

La scoperta è stata una sorpresa.

"Questo non era previsto né qualcosa che stavamo cercando quando abbiamo iniziato l'esperimento, " ha detto. "E 'stata una scoperta accidentale, grazie alla pazienza e alla perseveranza di Jifa, eseguendo e ripetendo le misurazioni molte volte, e caricare efficacemente la batteria di spin per emettere un segnale di polarizzazione di spin persistente misurabile."

I ricercatori non sono sicuri di cosa causi l'effetto. Però, una teoria è che gli elettroni spin polarizzati potrebbero trasferire la loro polarizzazione ai nuclei atomici nel materiale. Questa ipotesi come possibile spiegazione dell'esperimento è stata proposta da Supriyo Datta, Thomas Duncan Distinguished Professor di ingegneria elettrica e informatica di Purdue e leader dell'"iniziativa di squadra preminente spintronica" recentemente lanciata da Purdue.

"In un incontro, Il professor Datta ha suggerito in modo critico che il segnale di rotazione persistente osservato da Jifa sembrava una batteria, " Ha detto Chen. "Ci sono stati alcuni esperimenti analoghi fatti in precedenza su una batteria alimentata a spin nucleare, sebbene in genere richiedessero condizioni molto più impegnative come campi magnetici elevati. La nostra osservazione finora è coerente con l'effetto derivante anche dagli spin nucleari, anche se non abbiamo prove dirette".

Lo spin nucleare ha implicazioni per lo sviluppo della memoria quantistica e dell'informatica quantistica.

"E ora abbiamo un modo elettrico per raggiungere questo obiettivo, il che significa che è potenzialmente utile per i circuiti quantistici perché puoi semplicemente far passare la corrente e polarizzare lo spin nucleare, " Chen ha detto. "Tradizionalmente questo è stato molto difficile da raggiungere. La nostra batteria spin basata su isolatori topologici funziona anche a campo magnetico nullo, e temperature moderatamente basse come decine di kelvin, il che è molto insolito".

Seokmin Hong, un ex studente di dottorato di Purdue che lavora con Datta che ora è un ingegnere del software presso Intel Corp., disse, "Mentre una normale batteria carica emette una tensione che può essere utilizzata per guidare una corrente di carica, una 'batteria di spin' emette una 'tensione di spin, ' o più precisamente una differenza di potenziale chimico tra gli elettroni spin up e spin down, che può essere utilizzato per guidare una corrente di spin non in equilibrio."

I ricercatori hanno utilizzato piccole scaglie di un materiale chiamato seleniuro di bismuto tellurio. È nella stessa classe di materiali del tellururo di bismuto, che è alla base delle tecnologie di raffreddamento a stato solido come i frigoriferi termoelettrici commerciali. Però, a differenza del materiale di qualità commerciale che è un semiconduttore sfuso "drogato", il materiale utilizzato nell'esperimento è stato prodotto con cura per avere un'elevata purezza e poco drogaggio nella massa, quindi la conduzione è dominata dagli elettroni spin polarizzati sulla superficie. È stato sintetizzato dal ricercatore Ireneusz Miotkowski nel laboratorio di cristalli di massa di semiconduttori gestito da Chen nel Dipartimento di Fisica e Astronomia di Purdue. I dispositivi sono stati fabbricati da Tian nel Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue.

Il documento è stato scritto da Tian; Hong; e Miotkowski, dati, e Chen.

La ricerca futura includerà il lavoro per sondare cosa causa l'effetto sondando direttamente lo spin nucleare, e anche per esplorare come questa batteria di spin può essere utilizzata in potenziali applicazioni pratiche.