I ricercatori hanno creato un nuovo banco di prova per i sistemi quantistici in cui possono letteralmente attivare e disattivare determinate interazioni tra particelle, potenzialmente aprendo la strada a progressi nella spintronica.

L'elettronica di trasporto di spin ha il potenziale per rivoluzionare i dispositivi elettronici come li conosciamo, soprattutto quando si tratta di informatica. Mentre l'elettronica standard utilizza la carica di un elettrone per codificare le informazioni, i dispositivi spintronici si basano su un'altra proprietà intrinseca dell'elettrone:il suo spin.

La spintronica potrebbe essere più veloce e più affidabile dell'elettronica convenzionale, poiché la rotazione può essere modificata rapidamente e questi dispositivi consumano meno energia. Però, il campo è giovane e ci sono molte domande che i ricercatori devono risolvere per migliorare il loro controllo delle informazioni sugli spin. Una delle domande più complesse che affliggono il campo è come il segnale trasportato dalle particelle con spin, nota come corrente di spin, decade nel tempo.

"Il segnale di cui abbiamo bisogno per far funzionare la spintronica, e per studiare queste cose, può decadere. Proprio come vogliamo un buon servizio di telefonia cellulare per effettuare una chiamata, vogliamo che questo segnale sia forte, " disse Chuan-Hsun Li, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica presso la Purdue University. "Quando la corrente di spin decade, perdiamo il segnale." Nel mondo reale, gli elettroni non esistono indipendentemente da tutto ciò che li circonda e si comportano esattamente come ci aspettiamo che facciano. Interagiscono con altre particelle e tra diverse proprietà al loro interno. L'interazione tra spin di una particella (proprietà intrinseca) e quantità di moto (proprietà estrinseca) è nota come accoppiamento spin-orbita.

Secondo un nuovo documento in Comunicazioni sulla natura , l'accoppiamento spin-orbita e le interazioni con altre particelle possono aumentare notevolmente il decadimento della corrente di spin in un fluido quantistico chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC).

"La gente vuole manipolare la formazione di spin in modo che possiamo usarla per codificare le informazioni, e un modo per farlo è usare meccanismi fisici come l'accoppiamento spin-orbita, " Li ha detto. "Tuttavia, questo può portare ad alcuni inconvenienti, come la perdita di informazioni sulla rotazione."

L'esperimento è stato fatto nel laboratorio di Yong Chen, professore di fisica e astronomia, e ingegneria elettrica e informatica a Purdue, dove il suo team ha creato qualcosa come un mini collisore di particelle per i BEC. Usando i laser, Gli atomi di rubidio-87 all'interno di una camera a vuoto sono stati intrappolati e raffreddati quasi allo zero assoluto. (I drogati di fisica potrebbero ricordare che le tecnologie di raffreddamento laser hanno vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1997. Il trapping laser ha vinto il Premio nel 2018.)

A questo punto, gli atomi diventano un BEC:il più freddo e misterioso dei cinque stati della materia. Man mano che gli atomi si raffreddano, iniziano a mostrare proprietà ondulatorie. In questo stato quantistico, hanno una crisi di identità; si sovrappongono tra loro e smettono di comportarsi come individui. Sebbene BEC non sia tecnicamente un gas, questo potrebbe essere il modo più semplice per immaginarlo:i fisici lo chiamano casualmente fluido quantistico o gas quantistico.

All'interno del mini collisore di fluido quantistico, La squadra di Chen ha inviato due BEC con spin opposti che si sono scontrati l'uno con l'altro. Come farebbero due nuvole di gas, si compenetrano parzialmente l'un l'altro, erogare una corrente di spin.

"Un sacco di fenomeni affascinanti si verificano quando si scontrano due condensati. Originariamente, sono superfluidi, ma quando si scontrano, parte dell'attrito può trasformarli in gas termico, " Disse Chen. "Perché possiamo controllare ogni parametro, questo è un sistema davvero efficiente per studiare questo tipo di collisioni."

Utilizzando questo sistema, i ricercatori possono letteralmente attivare e disattivare l'accoppiamento spin-orbita, che consente loro di isolare il suo effetto sul decadimento della corrente di spin. Questo non può essere fatto con gli elettroni nei materiali allo stato solido, che fa parte di ciò che rende questo sistema così potente, disse Chen.

Il cosiddetto gas quantistico è il sistema più pulito che l'uomo possa realizzare. non c'è disordine, che permette di creare una corrente di spin pura e studiarne le proprietà. Chen spera di continuare a utilizzare questo banco di prova sperimentale e la loro corrente di spin bosonica per esplorare ulteriormente molte questioni fondamentali nel trasporto di spin e nella dinamica quantistica.

"Una sfida importante per la spintronica e altre tecnologie quantistiche correlate è ridurre il decadimento in modo da poter propagare le informazioni di spin su distanze maggiori, per tempi più lunghi, " ha detto. "Con questa nuova conoscenza del ruolo dell'accoppiamento spin-orbita, questo può aiutare le persone a ottenere nuove intuizioni per ridurre il decadimento dello spin e potenzialmente anche progettare dispositivi spintronici migliori".