Nella nanostruttura optospintronica, un grado di polarizzazione dello spin elettronico maggiore del 90% si ottiene a temperatura ambiente in un punto quantico, tramite filtraggio di spin abilitato per difetto remoto attraverso uno strato adiacente di arseniuro di azoto di gallio (GaNAs). Quando un tale elettrone polarizzato con spin si ricombina, emette luce chirale. Lo stato di spin dell'elettrone determina se il campo elettromagnetico della luce ruoterà in senso orario o antiorario attorno alla direzione di marcia. Credito:Yuqing Huang
Potrebbe essere possibile in futuro utilizzare la tecnologia dell'informazione in cui lo spin degli elettroni viene utilizzato per memorizzare, elaborare e trasferire informazioni nei computer quantistici. È stato a lungo l'obiettivo degli scienziati essere in grado di utilizzare la tecnologia dell'informazione quantistica basata sullo spin a temperatura ambiente. Un team di ricercatori svedesi, La Finlandia e il Giappone hanno ora costruito un componente semiconduttore in cui le informazioni possono essere scambiate in modo efficiente tra spin dell'elettrone e luce a temperatura ambiente e oltre. Il nuovo metodo è descritto in un articolo pubblicato su Fotonica della natura .
È noto che gli elettroni hanno una carica negativa; hanno anche un'altra proprietà chiamata spin. Questo può rivelarsi determinante per il progresso della tecnologia dell'informazione. Per dirla semplicemente, possiamo immaginare l'elettrone che ruota attorno al proprio asse, simile al modo in cui la Terra ruota attorno al proprio asse. La spintronica, un candidato promettente per la futura tecnologia dell'informazione, utilizza questa proprietà quantistica degli elettroni per immagazzinare, elaborare e trasferire informazioni. Questo porta importanti benefici, come una maggiore velocità e un minor consumo di energia rispetto all'elettronica tradizionale.
Gli sviluppi della spintronica negli ultimi decenni si sono basati sull'uso di metalli, e questi sono stati altamente significativi per la possibilità di immagazzinare grandi quantità di dati. Ci sarebbe, però, essere diversi vantaggi nell'uso della spintronica basata su semiconduttori, allo stesso modo in cui i semiconduttori costituiscono la spina dorsale dell'elettronica e della fotonica di oggi.
"Un importante vantaggio della spintronica basata sui semiconduttori è la possibilità di convertire l'informazione rappresentata dallo stato di spin e trasferirla alla luce, e viceversa. La tecnologia è nota come opto-spintronica. Permetterebbe di integrare l'elaborazione e l'archiviazione delle informazioni basate sullo spin con il trasferimento delle informazioni attraverso la luce, "dice Weimin Chen, professore all'Università di Linköping, Svezia, che ha guidato il progetto.
I punti quantici nella nanostruttura opto-spintronica sono costituiti da arseniuro di indio (InAs). Ogni punto quantico è di circa 10, 000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano. Credito:Yuqing Huang
Poiché l'elettronica utilizzata oggi funziona a temperatura ambiente e oltre, un serio problema nello sviluppo della spintronica è stato che gli elettroni tendono a cambiare e randomizzare la loro direzione di spin quando la temperatura aumenta. Ciò significa che le informazioni codificate dagli stati di spin dell'elettrone vengono perse o diventano ambigue. È quindi una condizione necessaria per lo sviluppo della spintronica basata sui semiconduttori che possiamo orientare essenzialmente tutti gli elettroni allo stesso stato di spin e mantenerlo, in altre parole che sono spin polarizzati, a temperatura ambiente e temperature più elevate. La ricerca precedente ha raggiunto una polarizzazione di spin degli elettroni più elevata di circa il 60% a temperatura ambiente, insostenibile per applicazioni pratiche su larga scala.
Ricercatori dell'Università di Linköping, L'Università di Tampere e l'Università di Hokkaido hanno ora raggiunto una polarizzazione dello spin degli elettroni a temperatura ambiente superiore al 90%. La polarizzazione dello spin rimane ad un livello elevato anche fino a 110 °C. Questo progresso tecnologico, che è descritto in Fotonica della natura , si basa su una nanostruttura opto-spintronica che i ricercatori hanno costruito da strati di diversi materiali semiconduttori. Contiene regioni su nanoscala chiamate punti quantici. Ogni punto quantico è di circa 10, 000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano. Quando un elettrone polarizzato di spin colpisce un punto quantico, emette luce, per essere più precisi, emette un singolo fotone con uno stato (momento angolare) determinato dallo spin dell'elettrone. Così, si ritiene che i punti quantici abbiano un grande potenziale come interfaccia per trasferire informazioni tra spin dell'elettrone e luce, come sarà necessario in spintronica, fotonica e calcolo quantistico. Nello studio appena pubblicato, gli scienziati mostrano che è possibile utilizzare un filtro di spin adiacente per controllare a distanza lo spin degli elettroni dei punti quantici, e a temperatura ambiente.
I punti quantici sono costituiti da arseniuro di indio (InAs), e uno strato di arseniuro di azoto di gallio (GaNAs) funziona come filtro di spin. Uno strato di arseniuro di gallio (GaAs) è inserito tra di loro. Strutture simili sono già utilizzate nella tecnologia optoelettronica basata sull'arseniuro di gallio, ei ricercatori ritengono che ciò possa facilitare l'integrazione della spintronica con i componenti elettronici e fotonici esistenti.
"Siamo molto felici che i nostri sforzi a lungo termine per aumentare le competenze necessarie per fabbricare semiconduttori contenenti N altamente controllati stiano definendo una nuova frontiera nella spintronica. Finora, abbiamo avuto un buon livello di successo nell'utilizzo di tali materiali per dispositivi optoelettronici, più recentemente nelle celle solari ad alta efficienza e nei diodi laser. Ora non vediamo l'ora di continuare questo lavoro e di unire fotonica e spintronica, utilizzando una piattaforma comune per la tecnologia quantistica basata sulla luce e sullo spin, "dice il professor Mircea Guina, capo del gruppo di ricerca presso l'Università di Tampere in Finlandia.
