I fisici hanno sviluppato una nuova tecnica che utilizza tensioni elettriche per controllare lo spin degli elettroni su un chip. Il metodo di nuova concezione fornisce protezione dal decadimento dello spin, il che significa che le informazioni contenute possono essere mantenute e trasmesse su distanze relativamente grandi, come è stato dimostrato da un team del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute. I risultati sono stati pubblicati in Revisione fisica X .

Per molti anni, i ricercatori hanno cercato di utilizzare lo spin di un elettrone per memorizzare e trasmettere informazioni. Lo spin di ogni elettrone è sempre accoppiato al suo moto, cioè la sua orbita all'interno del chip. Questo accoppiamento spin-orbita consente la manipolazione mirata dello spin dell'elettrone da parte di un campo elettrico esterno, ma provoca anche il decadimento dell'orientamento dello spin, che porta alla perdita di informazioni.

In una collaborazione internazionale con i colleghi degli Stati Uniti e del Brasile, scienziati del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute, diretto dal professor Dominik Zumbühl, hanno sviluppato un nuovo metodo che consente la manipolazione mirata dello spin senza il decadimento associato.

Controllo delle rotazioni su lunghe distanze

Gli scienziati hanno sviluppato un chip su cui un elettrone ruota uniformemente nella sua orbita attraverso il materiale senza decadimento dello spin. L'orientamento dello spin segue uno schema a spirale simile a un'elica. Se le tensioni applicate da due elettrodi di gate cambiano, influenza la lunghezza d'onda dell'elica; l'orientamento dello spin può quindi essere influenzato da una variazione di tensione.

I campi Rashba e Dresselhaus determinano prevalentemente il movimento elicoidale dello spin. Nell'esperimento sopra descritto, i campi Dresselhaus e Rashba possono essere mantenuti allo stesso livello, mentre l'intensità complessiva dei due campi può essere controllata contemporaneamente:in questo modo, il decadimento dello spin può essere soppresso.

Ciò consente ai ricercatori di utilizzare le tensioni per regolare l'orientamento dello spin su distanze superiori a 20 micrometri, che è una distanza particolarmente grande su un chip e corrisponde a molte rotazioni di spin. Le informazioni sugli spin possono quindi essere trasmesse, ad es. tra diversi bit quantistici.

Regolazione dei campi con tensioni elettriche

Questo metodo è possibile solo perché, come questo lavoro ha mostrato sperimentalmente per la prima volta, sia il campo Rashba che il campo Dresselhaus possono essere regolati con tensioni elettriche. Sebbene questo fosse stato previsto più di 20 anni fa in uno studio teorico, è stato possibile dimostrarlo solo ora grazie a un metodo di misurazione di nuova concezione basato su effetti di interferenza quantistica a basse temperature prossime allo zero assoluto. È previsto, però, che l'elica potrà essere controllata anche con tensioni a temperature più elevate e anche a temperatura ambiente.

Base per ulteriori sviluppi

"Con questo metodo, non solo possiamo influenzare l'orientamento degli spin in situ, ma anche controllare il trasferimento degli spin degli elettroni su lunghe distanze senza perdite, " afferma Zumbühl. La straordinaria collaborazione con i colleghi dell'Università di San Paolo, l'Università della California e l'Università di Chicago forniscono le basi per un'intera nuova generazione di dispositivi che si basano sull'elettronica basata su spin e creano prospettive per ulteriori lavori sperimentali.