La metà di tutti i transistor del tuo iPhone usa "buchi" a carica positiva, piuttosto che elettroni caricati negativamente per funzionare.

All'università, insegniamo agli studenti universitari che i buchi sono quasiparticelle, fondamentalmente "elettroni mancanti" - un po' come la bolla in una livella a bolla, o la sedia mancante in un gioco di sedie musicali.

Ma questa non è tutta la storia:i buchi hanno anche proprietà di "spin" molto diverse dagli elettroni. (Lo spin di una particella è il suo momento angolare intrinseco.)

Queste proprietà di spin uniche dei fori li rendono molto attraenti per i transistor di spin a bassissima potenza, bit quantistici ad alta velocità, e bit quantistici topologici fault-tolerant.

Il problema è che fino a poco tempo fa non avevamo una buona comprensione delle proprietà di spin dei fori nei transistor su nanoscala. Infatti, le migliori teorie prevedevano il comportamento opposto a quello osservato negli esperimenti.

Ora, un team di fisici guidati da Alex Hamilton e Oleg Sushkov dell'UNSW ha risolto il mistero identificando un nuovo termine nelle equazioni che era stato precedentemente trascurato.

Questo concilia esperimenti e teoria, e apre la strada ai futuri dispositivi di elettronica quantistica e di calcolo quantistico.

La chiave del problema è che un foro si comporta in modo molto diverso quando è limitato solo a due dimensioni, rispetto al suo comportamento in un normale, solido tridimensionale.

Un transistor è prodotto con due materiali semiconduttori con proprietà elettroniche leggermente diverse, premuti insieme. All'interfaccia di questi due materiali, esiste una zona effettivamente bidimensionale, in cui un sottile foglio di elettroni o lacune può essere controllato per svolgere le funzioni logiche necessarie.

Ma mentre il comportamento dei fori in tre dimensioni è stato ben compreso per molti decenni, il loro confinamento a due dimensioni introduce nuovi fattori che causano risposte altrimenti imprevedibili a un campo magnetico applicato. Vale a dire, questo confinamento introduce una nuova 'interazione spin-orbita'.

Interazione spin-orbita (SOI), è l'accoppiamento del movimento del foro nello spazio (ad esempio in orbita attorno ad un atomo o lungo un percorso percorso da corrente) e il suo spin. Questa interazione spin-orbita cambia il modo in cui i buchi rispondono a un campo magnetico ed è fondamentale per la funzione dei materiali topologici, studiati presso FLEET per il loro potenziale di formare percorsi a resistenza ultrabassa per la corrente elettrica.

Il nuovo studio è la prima volta che questi nuovi effetti spin-orbita per fori confinati a una dimensione sono stati classificati correttamente.

Nel 2006, Gli esperimenti dell'UNSW hanno trovato un risultato che non corrispondeva alla teoria esistente:

Gli sperimentatori stavano esaminando gli effetti di un campo magnetico esterno applicato a un percorso di carico noto come filo quantistico.

Il campo magnetico applicato separa, o spacca, i livelli energetici di buchi con spin differenti. Gli esperimenti hanno mostrato che lo spin-splitting era estremamente sensibile alla direzione del campo magnetico, a differenza degli elettroni che sono insensibili alla direzione del campo.

Per di più, lo spin-splitting è risultato essere maggiore quando il campo magnetico è stato applicato lungo il filo quantistico, un risultato completamente contrario alle teorie esistenti. Questo disaccordo tra esperimento e teoria è rimasto inspiegato negli ultimi dieci anni.

Lo studio più recente ha identificato un nuovo fattore di interazione spin-orbita causato dal confinamento dei fori a una dimensione, e ha scoperto che questo nuovo fattore spiegava il risultato sperimentale del 2006.

Il nuovo studio è appena apparso in Lettere di revisione fisica , la rivista di punta dell'American Physical Society.

La ricerca ha unito i fisici teorici e sperimentali dell'UNSW con i colleghi di Cambridge e Sheffield nel Regno Unito, e Novosibirsk in Russia.

Il lavoro è stato finanziato dall'Australian Research Council Discovery Program, e includeva Alex Hamilton di FLEET, Oleg Sushkov e Dima Miserev.

FLOTTA è un nuovo, Centro di ricerca finanziato dall'ARC che mira ad affrontare la crescente sfida dell'energia di calcolo utilizzando materiali dello spessore di un solo atomo. FLEET (l'ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) utilizza atomicamente sottili, materiali bidimensionali (2-D) come base di una nuova generazione di elettronica a bassissima energia. FLEET collega ricercatori della UNSW School of Physics e della UNSW School of Materials Science and Engineering con i colleghi di altre sei università e di altri 13 centri scientifici australiani e internazionali.

Alex Hamilton guida il tema 1 di ricerca di FLEET, alla ricerca di sistemi topologici senza dissipazione per il futuro, elettronica a bassissima energia.

Lo studio originale nel 2006, condotto anche dal Prof Hamilton e pubblicato anche in Lettere di revisione fisica , trovarono che la direzione di un campo magnetico applicato determinava la scissione della conduttività in una corrente di buchi. Lo stesso effetto non si verifica in una corrente di elettroni.

Questo studio è stato anche il primo a caratterizzare l'effetto di un campo magnetico su una corrente di lacune lungo un filo quantistico. Gli esperimenti hanno mostrato che quando i fori viaggiano lungo un percorso unidimensionale, i loro spin ruotano per allinearsi con un campo magnetico applicato in una particolare direzione.

Questa risposta distingue le lacune dagli elettroni, che non rispondono allo stesso modo ai cambiamenti:a loro non importa in che modo viene applicato il campo.

Questa proprietà unica dei fori offre un potenziale entusiasmante per il loro utilizzo nella tecnologia "spintronica". Nella spintronica, lo spin magnetico di una particella viene utilizzato per eseguire funzioni logiche, piuttosto che solo la carica elettrica della particella, come nell'elettronica tradizionale.